一种具有低电阻接头的高温超导磁体及其制备方法

本发明属于超导磁体领域，具体涉及一种具有低电阻接头的高温超导磁体及其制备方法。

背景技术：

1、近年来高温超导材料的研究取得了快速的发展，相比于低温超导材料，高温超导材料的超导转变温度较高，在液氮温区下高温超导材料就能呈现超导特性。高场磁体技术在近年来一直是超导磁体领域的研究热点之一。1991年日本滕仓公司采用离子束辅助沉淀法，真空条件下在柔软非织构的镍合金带上获得了一层氧化锆膜，然后使用脉冲激光沉积法，在基带上涂层钇系氧化物，这样就出现了第二代高温超导体ybco。目前，第二代高温超导带材基板及织构化隔离层的制备工艺有离子束辅助沉积，轧制辅助双轴织构基底法和倾斜基板沉积法。

2、高温超导材料中得到实用化验证的材料包括bi系高温超导材料如bi2sr2ca2cu3ox(bi2223)，以及涂层高温超导材料，如reba2cu3o7-δ(rebco)等。其中bi2223的超导转变温度达到110k，rebco的超导转变温度达到95k。两种超导材料的临界场在4.2k温区超过了100t，相比于低温超导材料得到了大幅的提升。因此，高温超导材料由于较高的临界磁场，可作为高场内插磁体插入到低温背场磁体中间，提供中心磁场中的高磁场部分。

3、目前，世界范围内超导强磁场记录不断刷新，采用的磁体技术都是通过多种超导体复合而成，外部由低温超导磁体铌钛和铌三锡组合提供具有一定口径的背景磁场，内部由高温超导磁体bi2223、rebco或者两者组合使用在靠近中心的强磁场空间，进一步提高中心磁场。

4、由于制备工艺的限制，高温超导体如bi2223和rebco为带材形状，长度有限，仅仅为百米量级，而一个高温超导磁体需要几十公里量级的高温超导带材长度，因此，需要制作多个高温超导带材的接头以匹配超导磁体的用线需求。高温超导磁体的建造形式常以饼式线圈组成，包括单饼或双饼线圈，来匹配单根高温超导带材的长度，即通过单根高温带材绕制一个饼式线圈，带材的接头位于饼式线圈的外部。一个高温超导磁体由多个饼式线圈组成，多个饼式线圈在轴线方向逐堆叠，形成一个高温内插超导磁体。

5、高温超导磁体中可靠的接头技术，是高温磁体建造的一个非常重要的工作。由于高温超导带材的制备工艺限制，带材之间的超导接头难以制造。对于rebco高温超导带材容易发生反应，在rebco与其他金属间形成氧含量不同的超导层和氧化金属层，会造成界面电阻以及超导层的破坏和超导性能的降低。因此，建立真正意义上的高温超导接头是困难的，并且高温超导磁体建造过程中制备超导态的超导接头目前还没有成功的案例。因此，在高温磁体上建造具有工艺可行性和可靠性的低电阻接头是急需的。如在高场核磁共振谱仪设备中，频率超过1ghz的核磁共振谱仪内部的高场磁体，需要高、低温混合磁体共同完成。如果磁体需要工作在无电源的闭环模式运行时，需要磁体内部的具有较低的接头电阻，增加磁体闭环运行的时间。对于低温超导磁体，接头技术已经相对成熟，可获得较低电阻的超导接头。而对于高温磁体，接头数量较多，且接头电阻较大，接头技术限制了高温磁体的发展。

6、此外，高温超导带材在高温下容易发生氧化并且超导性能在高温下会发生超导性能的退化。采用普通的电烙铁焊接时的瞬时温度过高容易造成高温超导带材的损伤，因此，高温超导带材的焊接过程需要注意温度过高带来的影响。当采用电烙铁进行焊接时，只能对某点进行加热，会造成焊接过程的热量不均匀，并且不同的焊接点由于焊接的时间不同，造成不同点焊料的不同的冷却收缩速度，会造成高温超导带材的焊接应力集中，以及焊接后的冷收缩力，对层状结构的rebco具有较大的风险，难以保证具有较弱抗剥离强度的高温超导带材不发生性能退化。

技术实现思路

1、为解决现有工艺中高温超导磁体中接头电阻大，接头电阻在磁体上制作困难，以及接头在磁体上制造时与高温超导带材的接头样品数据偏差较大的问题，本发明提供一种具有低电阻接头的高温超导磁体及其制备方法，通过选用适当熔点的不同超导焊料提前嵌入高温超导磁体内部，通过真空压力浸渍工艺在浸渍过程中将高温超导带材焊接在一起，避免了磁体接头焊接过程中的外部压力不均匀，并且焊接过程中焊料容易发生氧化和焊接受热不均造成焊接气孔的问题，制备的高温超导接头具有较低的电阻，并且接头制造工艺可靠，接头性能均匀性好，对高温超导带材不会造成温度过高和压力过大带来的损伤。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种具有低电阻接头的高温超导磁体，所述高温超导磁体包括双饼高温超导线圈、第一高温超导带材、第一接头、第一接头焊料、第二高温超导带材、第二接头、第二接头焊料、绑扎层。其中双饼高温超导线圈由第一高温超导带材绕制而成，高温超导磁体由多个双饼高温超导线圈堆叠而成，每个双饼高温超导线圈的2个引线设置在双饼高温超导线圈的外部，引线端在每个双饼高温超导线圈的最外层1-3匝之间嵌入与第一高温超导带材具有相同宽度的第一接头焊料带材，与每个双饼的引线共同绕制进双饼高温超导线圈内部。其中在将多个双饼高温超导线圈沿轴向方向堆叠成高温超导磁体以后，在相邻两个双饼高温超导线圈之间采用第二接头焊料绕制在相邻两个双饼高温超导线圈的外表面，并在第二接头焊料外表面同时绕制第二高温超导带材。

4、进一步地，所述的第二接头焊料以及第二高温超导带材的宽度为相邻两个第一高温带材的宽度之和。

5、进一步地，所述的第二接头焊料和第二高温超导材料的绕制层数为0.5-5匝。

6、进一步地，所述的第一接头焊料熔点范围为115℃到125℃，可采用的焊料为铟锡共晶超导焊料。

7、进一步地，所述的第二接头焊料熔点范围为100℃到105℃，可采用的焊料为铅锡铋共晶超导焊料。

8、本发明还提供一种具有低电阻接头的高温超导磁体的制备方法，包括如下步骤：

9、步骤1，采用第一高温超导带材绕制双饼高温超导线圈，双饼高温超导线圈的两个饼分别为逆时针和顺时针方向绕制，双饼高温超导线圈的两个引线分别在两个饼的最外侧。

10、步骤2，绕制完成双饼高温超导线圈后，在每个饼绕制完成后在匝间添加第一接头焊料在第一高温超导带材的匝与匝之间，继续绕制1-3匝，每匝之间都具有第一接头焊料。

11、步骤3，重复步骤1和步骤2，绕制多个双饼高温超导线圈。

12、步骤4，将绕制完成的多个双饼高温超导线圈沿轴线方向堆叠，形成高温超导磁体。

13、步骤5，在相邻的两个双饼高温超导线圈之间，添加第二接头焊料，覆盖在相邻两个高温超导线圈表面，然后采用第二高温超导带材绕制在第二接头焊料表面，继续绕制0.5-5匝。其中，第二接头焊料与第二高温超导带材的宽度相同，为两个相邻的双饼高温超导线圈的宽度之和。

14、步骤6，绕制完成后，在每个双饼高温超导线圈外部绕制金属加强绑扎带，用于对每个双饼高温超导线圈进行固定和加强。

15、步骤7，将整个高温超导磁体进行真空压力浸渍，首先升温到105℃到110℃，使第二接头焊料融化成液态，在真空条件下去除气泡，并填充到相邻两个双饼高温超导线圈之间，将相邻两个双饼高温超导线圈与第二高温超导带材焊接。

16、步骤8，将温度继续升高到125℃到130℃之间，使第一接头焊料融化，填充到每个双饼高温超导线圈的最外侧引线处，将每个双饼高温超导线圈的引线焊接。

17、步骤9，将温度降低到60℃到80℃，并向高温超导磁体内浸入填充材料，包括石蜡和环氧树脂，将整个高温超导磁体浸渍成一个整体。

18、有益效果：

19、本发明采用真空压力浸渍，采用不同熔点温度的低熔点焊料首先预嵌入双饼高温超导线圈内部以及相邻的高温超导线圈之间，双饼高温超导线圈内部的接头采用第一接头焊料，第一接头焊料的熔点范围较高，相邻的双饼高温超导线圈间的接头采用第二接头焊料，第二接头焊料的熔点范围较低，采用不同熔点温度的接头焊料使每个双饼高温超导线圈具有可拆卸的功能，当对高温超导磁体进行通电测试时，如果某个双饼高温超导线圈出现异常，可在较低温度下熔化相邻高温超导线圈之间的第二接头焊料，从而对出现异常的双饼高温超导线圈进行维修和替换，并不会影响其他正常的双饼高温超导线圈。且通过真空压力浸渍的焊接过程，第一接头焊料和第二接头焊料与焊接的高温超导带材之间不会出现气孔，整个高温超导磁体的温度都相同，温度均匀性比单独烙铁的点焊接过程温度更加均匀，且整个焊接过程温度的升高和降低更加可控，焊接具有更好的均匀性，不会产生某点的焊接应力集中，降低高温超导带材中的应力集中和焊接后冷收缩对高温超导带材带来的损伤风险。