一种基于铁基涂层超导片的超导磁体制造技术

本发明专利技术涉及一种基于铁基涂层超导片的超导磁体。超导片和绝缘片可采用圆环形、跑道形或D形片状结构，且两者尺寸大小均相同；绝缘片和超导片交替布置；在超导磁体上下加法兰，并通过绝缘拉杆连接固定。本发明专利技术采用超导片，省去了弯曲和绕制环节，制造方便，结构简单，无弯曲半径限制；在形成超导磁体的过程中只是简单堆叠，无变形，对超导材料的通流能力影响很小。在需要更强磁场的场合，将外半径略小于内半径的超导磁体进行组合嵌套。本发明专利技术采用液氮提供低温环境，使用杜瓦容器调节温度，采用磁通泵技术对超导磁体励磁，结合高温超导铁基涂层导体、低温液氮冷却和磁通泵三者优势，超导磁体不仅能够产生强磁场，而且还具有功耗小、效率高、结构简单、操作简便的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于铁基涂层超导片的超导磁体
本专利技术属于超导磁体
，特别涉及一种基于铁基涂层超导片的超导磁体。
技术介绍
不论是基础研究还是潜在应用，Fe基超导体(FBS)都是非常特殊的材料。FBS这种多频带超导体的特征是非常规、各向异性的，所有这些特征在电力传输特性上都有一定程度的反映。它们通常在低温下显示出非常高的上临界场和高不可逆性场，这使得高场内临界电流密度Jc成为了可能，尤其是对于高频场的应用上。铁基超导线材的加工工艺已经十分成熟，在实际应用中，通过脉冲激光沉积技术(PLD)、分子束外延技术(MBE)和人工钉扎中心工艺制备薄膜。由于成本和加工的问题，在高场磁体应用的超导线材中仍以低温材料Nb3Sn为主，但铁基超导线材的发现为高场线材提供了另一个选择。尤其是AeFe2As2(Ae：碱土元素，Ae-122)是高场磁体应用的最佳候选之一，因为它具有较高的上临界场、适度的Hc2和合适的临界温度。故此，本专利技术提出一种基于铁基涂层超导片的超导磁体，为强磁场的产生提供一种途径。采用磁通泵技术给超导磁体励磁，通过电磁感应的方法在铁基涂层超导环片内感应出电流，整个励磁过程中，无需焊接电流引线，没有接触电阻，单个铁基涂层超导环片之间无需焊接，实现超导磁体的闭环运行，同时降低热损耗和运行成本。本专利技术提出一种基于铁基涂层超导片的超导磁体的制备方法，由铁基涂层超导环片和绝缘片交互堆叠构成，采用磁通泵励磁方式为超导磁体励磁，采用液氮浸泡或传导冷却的方式进行超导磁体冷却。
技术实现思路
由于成本和处理能力的限制，在超导材料的高场磁体应用中仍以低温Nb3Sn为主。针对这一问题，本专利技术提供了一种基于铁基涂层超导片的超导磁体。该超导磁体包括铁基涂层超导片和绝缘片，并且两者尺寸大小相同；超导片和绝缘片交替堆叠组成超导磁体；所有超导片的堆叠方向保持一致；所述超导磁体的顶部和底部加法兰并通过螺栓加固，用绝缘拉杆将法兰连接固定；所述超导环片有圆形环片、跑道形环片和D形环片3种结构，3种形状不同的环片组成3种不同形状的超导磁体；所述超导片在衬底上依次制备缓冲层、铁基涂层、保护层；所述衬底为Ni片、NiW片、哈氏合金片或不锈钢片；所述铁基涂层为AeFe2As2高场磁体材料，其中Ae为碱土元素；所述缓冲层为绝缘性的金属氧化物；所述保护层为铜薄膜层或银薄膜层；采用离子束辅助沉积技术(IBAD)、倾斜基底沉积技术(ISD)、表面氧化外延(SOE)、脉冲激光沉积法(PLD)或溅射法(Sputtering)等技术在衬底上生成薄膜；所述绝缘片为PPLP绝缘片、牛皮纸、有机绝缘薄膜或环氧薄片等，绝缘片的大小与超导环片相同；将一个超导磁体置入另一个超导磁体的孔内，得到组合嵌套式超导磁体，以此提供更强的磁场；在缓冲层上镀上铁基涂层，接着在铁基涂层上镀银或铜薄膜作为保护层，得到环状超导片；然后将绝缘片与超导片交替堆叠，最后将绝缘片叠放在顶端，保证整体上下左右对齐，各超导片正反面朝向一致，上下端加上法兰并通过螺栓固定，组成完整的圆环形、跑道形或D形超导磁体；将超导磁体置于装有液氮的杜瓦容器中，杜瓦容器与制冷系统相连，进行调节超导磁体的温度；将空心螺管线圈同心同轴地置入超导磁体的中心孔内，向空心螺管线圈通入交变电流，交变电流上升沿时间不等于下降沿时间，在超导片中感应出净超导电流，通过周期性地泵入交变电流，使超导磁体的感应电流不断增大至期望值，此时切断交变电流，超导磁体的电流保持恒定，维持一个稳定的磁场；当超导磁体的电流衰减时，重新接通交变电流进行补偿；其中，所述空心螺管线圈的尺寸大小略小于超导片和绝缘片的中心孔尺寸大小，轴向长度大于超导磁体的轴向长度。本专利技术的有益效果为：本专利技术提出一种新型超导磁体，包括超导片和绝缘片，二者交互堆叠，省去了弯曲和绕制环节，制造方便，结构简单，无弯曲半径限制；超导片是平面结构，在形成超导磁体的过程中只是简单堆叠，无需变形，对超导材料的通流能力影响很小。通过调整超导磁体的尺寸大小，可以得到不同尺寸的超导磁体。也可以通过调整超导片和磁体片的形状，从而得到不同结构的超导磁体。在需要更强磁场的场合，可以将尺寸大小不同的超导磁体进行组合嵌套，来得到所需要的磁场。本专利技术采用磁通泵技术给超导磁体供电，通过电磁感应的方法在超导磁体内感应出电流，无需电流引线和焊接，既使得超导磁体结构紧凑，又降低了超导磁体的热损耗。采用磁通泵技术，还便于在超导磁体的磁场衰减时进行补偿。本专利技术通过结合高温超导铁基涂层导体、低温液氮冷却和磁通泵的优点，将三者应用到超导磁体的设计中，得到的超导磁体具有功耗小、效率高、结构简单、操作简便的优点，为高磁场强度的产生提供了新思路。本专利技术中采用的铁基超导体是非传统的、各向异性的的超导体，所有的这些特性都在一定程度上反映出其良好的电运输性质，在高温、高载流超导领域具有极其广泛的应用前景。附图说明图1为本专利技术超导磁体单个圆环形超导片的结构示意图；其中，1-1为圆环形超导片衬底；1-2为圆环形超导片缓冲层；1-3为铁基涂层；1-4为圆环形超导片保护层。图2为本专利技术超导磁体单个跑道形超导片的结构示意图；其中，2-1为跑道形超导片衬底；2-2为跑道形超导片缓冲层；2-3为铁基涂层；2-4为跑道形超导片保护层。图3为本专利技术超导磁体单个单个D形超导片的结构示意图；其中，3-1为D形超导片衬底；3-2为D形超导片缓冲层；3-3为铁基涂层；3-4为D形超导片保护层。图4为本专利技术采用磁通泵技术的一种基于铁基涂层圆环形超导片的超导磁体励磁的示意图；其中1a为圆环形超导片，2a为圆环形绝缘片，3为法兰，4为定位孔，5为绝缘拉杆，6为螺栓，7为磁通泵，8为脉冲电源。图5为本专利技术采用磁通泵技术的一种基于铁基涂层跑道形超导片的超导磁体励磁的示意图；其中1b为跑道形超导片，2b为跑道形绝缘片，3为法兰，4为定位孔，5为绝缘拉杆，6为螺栓，7为磁通泵，8为脉冲电源。图6为本专利技术采用磁通泵技术的一种基于铁基涂层D形超导片的超导磁体励磁的示意图；其中1c为D形超导片，2c为D形绝缘片，3为法兰，4为定位孔，5为绝缘拉杆，6为螺栓，7为磁通泵，8为脉冲电源。图7为磁通泵脉冲电流的示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。首先制备基于铁基涂层的超导片1a,1b,1c，和绝缘片2a,2b,2c，如下：基于铁基涂层的圆环形超导片1a的加工制备方法(结合图1和图4)如下：(1)如图1所示，衬底1-1的材料采用但不限于Ni、NiW、哈氏合金、不锈钢，首先制备出方形片状衬底半成品；(2)将方形片状衬底半成品切割成内半径为r1、外半径为r2的圆环片状，制得如图1中1-1所示的衬底；(3)采用离子束辅助沉积技术(IBAD)、倾斜基底沉积技术(ISD)、表面氧化外延(SOE)、脉冲激光沉积法(PLD)或溅射法(Sputtering)等工艺，在衬底1-1上沉积缓冲层1-2，缓冲层1-2一般采用绝缘性的金属氧化物，包括但不限于Y2O3、YSZ、CeO2或YSZ；(4)采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)等工艺在缓冲层1-2上镀上铁基涂层1-3，接着在铁基涂层1-3上镀银或铜薄膜作为保护层1-4，得到内半径为r1、外半径为r2的圆环片状的超导片，如图4中1a所示。绝缘片2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于铁基涂层超导片的超导磁体，其特征在于，包括铁基涂层超导片和绝缘片，并且两者尺寸大小相同；所述超导片和绝缘片交替堆叠；所有超导片的堆叠方向保持一致；所述超导片包括圆形环片、跑道形环片和D形环片3种结构，3种形状不同的环片组成3种不同形状的超导磁体。

【技术特征摘要】
1.一种基于铁基涂层超导片的超导磁体，其特征在于，包括铁基涂层超导片和绝缘片，并且两者尺寸大小相同；所述超导片和绝缘片交替堆叠；所有超导片的堆叠方向保持一致；所述超导片包括圆形环片、跑道形环片和D形环片3种结构，3种形状不同的环片组成3种不同形状的超导磁体。2.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述超导片包括衬底和衬底上依次制备的缓冲层、铁基涂层、保护层；所述衬底为Ni片、NiW片、哈氏合金片或不锈钢片；所述缓冲层为绝缘性金属氧化物；所述铁基涂层为AeFe2As2高场磁体材料，其中Ae为碱土元素；所述保护层为铜薄膜层或银薄膜层。3.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述绝缘片为PPLP绝缘片、牛皮纸、有机绝缘薄膜或环氧薄片，绝缘片的大小与超导环片相同。4.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，将所述超导磁体置入另一超导磁体孔内，得到组合嵌套式超导磁体，以此提供更强的磁场。5.根据权利要求1所述的超导磁体，其特征在于，所述各超...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁燕青，王银顺，于立佳，莫思铭，蔡渊，皮伟，袁文，
申请(专利权)人：华北电力大学，江苏永鼎股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11