高温超导体场线圈制造技术

一种用一个或多个HTS条带制造高温超导体HTS场线圈的方法。每个HTS条带包括HTS材料层。所述方法包括：围绕轴线缠绕所述一个或多个HTS条带以形成包括HTS条带的绕组的场线圈；和围绕所述绕组中的一个或多个绕组的至少一部分从所述HTS条带中的一个或多个HTS条带的轴向边缘去除材料，以减小所述一个或多个HTS条带沿所述场线圈的所述轴线的范围。带沿所述场线圈的所述轴线的范围。带沿所述场线圈的所述轴线的范围。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高温超导体场线圈


[0001]本专利技术涉及高温超导体(High Temperature Superconductor，HTS)场线圈。特别地，本专利技术涉及包括HTS条带的HTS场线圈。

技术介绍

[0002]超导材料典型地分为“高温超导体(HTS)”和“低温超导体(LTS)”。诸如Nb和NbTi之类的LTS材料是其超导性可以用BCS理论描述的金属或金属合金。所有低温超导体具有低于约30K的临界温度(高于此温度时，即使在零磁场中该材料也不能超导)。不通过BCS理论描述HTS材料的行为，并且此类材料可以具有高于约30K的临界温度(尽管应注意，定义HTS和LTS材料的是成分和超导操作中的物理差异，而不是临界温度)。最常用的HTS材料是“铜酸盐超导体(cuprate superconductor)”——基于铜酸盐(含有氧化铜基团的化合物)的陶瓷，诸如BSCCO或ReBCO(其中Re是稀土元素，通常是Y或Gd)。其他HTS材料包括铁磷族元素材料(iron pnictides)(例如，FeAs和FeSe)和二硼化镁(MgB2)。
[0003]ReBCO典型地被制造为条带，具有如图1所示的结构。此类条带100通常为约100微米厚，并且包括衬底101(典型地为电抛光镍钼合金，如哈氏合金TM，约50微米厚)，通过离子束辅助沉积(Ion Beam Assisted Deposition，IBAD)、磁控溅射(magnetron sputtering)或其他合适的技术在该衬底101上沉积厚度约0.2微米的一系列缓冲层(被称为缓冲堆102)。(通过金属氧化物化学气相沉积(Metal Oxide Chemical Vapour Deposition，MOCVD)或其他合适的技术所沉积的)外延ReBCO
‑
HTS层103覆盖在缓冲堆上，并且典型地为1微米厚。通过溅射或其他合适的技术在HTS层上沉积1微米至2微米的银层104，并且通过电镀或其他合适的技术在条带上沉积铜稳定剂层105。银层104和铜稳定剂层105也沉积在条带100和衬底101的侧面上，使得这些层围绕条带100的周围连续地延伸，从而允许从条带100的任一面与ReBCO
‑
HTS层103进行电连接。因此，这些层104、105也可以被称为“包层(cladding)”。典型地，银包层在条带的两侧和边缘上具有约1微米至2微米的均匀厚度。在HTS层103与铜层105之间提供银层104防止了HTS材料接触铜，HTS材料接触铜可能导致HTS材料受到铜的毒害。为了清楚起见，在图1中未示出条带100的侧面上的银层104和铜稳定剂层105的部分，但是在图9中提供的横截面视图中示出了该部分。图1也未示出在衬底101下方延伸的银层104，这是常规情况(例如参见图9)。银层104与ReBCO层103形成低电阻率电界面，并且围绕ReBCO层103形成气密保护的密封，而铜层105使得与条带进行外部连接(例如，允许焊接)，并为电稳定提供平行的导电路径。
[0004]衬底101提供了机械主干，该机械主干可以通过制造线来馈送并且允许后续层的生长。缓冲堆102提供了双轴线纹理晶体模板，在其上生长HTS层，并且防止元素从衬底向HTS的化学扩散，该化学扩散损伤HTS的超导属性。银层104提供从ReBCO
‑
HTS层103到稳定剂层105的低电阻界面，并且稳定剂层105在ReBCO的任何部分停止超导(进入“正常”状态)的情况下提供了替代的电流路径。
[0005]此外，可以制造“剥离的”HTS条带，其缺少衬底(例如，哈氏合金TM的衬底)和缓冲
堆，但典型地具有银的“包围涂层”，即HTS层的两侧和边缘的层。具有衬底的条带将被称为“带衬底的”HTS条带。
[0006]HTS条带可以布置在HTS线缆中。HTS线缆包括一个或多个HTS条带，这些HTS条带通过导电材料(通常为铜)沿其长度连接。HTS条带可以被叠置(即，被布置成使得HTS层平行)，或者HTS条带可以具有可以沿着线缆的长度变化的一些其他的条带布置。HTS线缆的显著特殊情况是单HTS条带和HTS对。HTS对包括被布置成使得HTS层平行的一对HTS条带。在使用带衬底的条带的情况下，HTS对可以是0型的(HTS层面向彼此)、1型的(一个条带的HTS层面向另一条带的衬底)或2型的(衬底面向彼此)。包括两个以上的条带的线缆可以将条带中的一些或全部条带布置在HTS对中。叠置的HTS条带可以包括HTS对的各种不同的布置，最常见的是1型对的堆或0型对的堆和(或等效地，2型对的堆)。HTS线缆可以包括带衬底的条带和剥离的条带的混合。
[0007]当在本文件中描述线圈时，将使用以下术语：
[0008]·“HTS线缆”——包括一个或多个HTS条带的线缆。在此定义中，单HTS条带是HTS线缆。
[0009]·“匝”——线圈内HTS线缆的封围该线圈内部的一区段(即，可以被建模为完整的回路)。
[0010]·“弧”——线圈的小于整个场线圈的连续长度。
[0011]·“内半径/外半径”——从线圈的中心到HTS线缆的内部/外部的距离。
[0012]·“内周长/外周长”——围绕线圈的内部/外部测量的距离。
[0013]·“厚度”——线圈的所有匝的径向深度，即内半径与外半径之间的差。
[0014]·“临界电流”(I
C
)——在给定温度和外部磁场下HTS变为正常的电流(其中认为HTS在超导转变的特征点处“变为正常”，其中条带产生每米E0伏。E0的选择是任意的，但是通常取为每米10微伏或100微伏)。
[0015]·“临界温度”——在给定磁场和电流下HTS将变为正常的温度。
[0016]·“峰值临界温度”——在没有给定外部磁场和可忽略电流的情况下HTS变为正常的温度。
[0017]·
电绝缘体材料——具有超过约106欧姆
‑
米(Ohm
‑
metre)的电阻率的材料，诸如MgO和金刚石之类的绝缘体，其各自(在室温下)具有超过约10
12
欧姆
‑
米的电阻率。
[0018]·
电导体材料——具有小于约10
‑6欧姆
‑
米的电阻率的材料。
[0019]广义而言，对于HTS场线圈存在两种结构类型——通过缠绕或组装多个区段。如图2所示，缠绕的线圈是通过以连续螺旋围绕成型器202包裹HTS线缆201(如实线所示)来制造的。成型器被成型为提供线圈所需的内周长，并且可以是最终缠绕的线圈的结构部分，或者可以在缠绕之后去除该成型器。如图3示意性地示出的分段线圈包括多个区段301，每个区段可以含有多个线缆或预先形成的母线311(如实线所示)，并且将形成整个线圈的弧。通过接头302连接各区段以形成完整的线圈。虽然为清楚起见，图2和图3的线圈的匝被示出为间隔开，但是通常会有连接线圈的匝的材料——例如，可以通过用环氧树脂封装来固结线圈的匝。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种从一个或多个HTS条带制造高温超导体HTS场线圈的方法，每个HTS条带包括HTS材料层，所述方法包括：围绕轴线缠绕所述一个或多个HTS条带以形成包括HTS条带的绕组的场线圈；和围绕所述绕组中的一个或多个绕组的至少一部分从所述HTS条带中的一个或多个HTS条带的轴向边缘去除材料，以减小所述一个或多个HTS条带沿所述场线圈的所述轴线的范围。2.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述一个或多个HTS条带的所述轴向边缘去除材料包括减小所述HTS材料层沿所述场线圈的所述轴线的范围。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述HTS条带或每个HTS条带包括柔性衬底、设置在所述柔性衬底的面上的中间层、设置在所述中间层上的所述HTS材料层、和与所述HTS材料电接触并横跨所述HTS条带的至少所述轴向边缘延伸的导电包层；以及其中，从所述HTS条带中的所述一个或多个HTS条带的轴向边缘去除材料包括：围绕所述绕组中的一个或多个绕组的至少一部分从所述HTS条带中的所述一个或多个HTS条带的所述轴向边缘部分地或全部地去除所述包层，以增加所述绕组中的HTS材料层与相邻绕组中的HTS材料层之间的电阻。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述中间层是电绝缘体层或半导体层，或包括电绝缘体层或半导体层。5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，从所述HTS条带中的一个或多个HTS条带的边缘去除所述包层包括：去除所述包层，以围绕所述绕组中的一个或多个绕组的至少一部分暴露位于所述HTS条带中的所述一个或多个HTS条带的轴向边缘处的所述HTS材料层。6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括用绝缘体或导体材料密封所述HTS条带中的所述一个或多个HTS条带的所述边缘。7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，从所述HTS条带中的所述一个或多个HTS条带的所述轴向边缘去除材料包括以机械方式去除材料，优选地通过对所述一个或多个HTS条带的所述轴向边缘进行机加工来去除材料。8.根据权利要求7所述的方法，其中，以机械方式去除材料包括切割、钻孔；激光切割、等离子切割、水射流切割；磨削、砂磨、线侵蚀、车削、激光烧蚀、离子铣削、溅射和放电加工中的一种或多种。9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，以化学方式从所述HTS条带中的所述一个或多个HTS条带的所述轴向边缘部分地或全部地去除材料。10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括在从所述一个或多个HTS条带的所述轴向边缘去除材料的步骤期间冷却所述HTS场线圈。11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，去除材料包括切割穿过所述HTS场线圈，以将所述HTS场线圈分成两个或更多个HTS场线圈。12.根据权利要求11所述的方法，还包括在所述两个或更多个HTS场线圈之间形成一个或多个电连接以形成螺线管。13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，围绕轴线缠绕所述一个或多个HTS条带以形成场线圈包括缠绕具有所述一个或多个HTS条带的两个外部HTS条带和一个或多个内部HTS条带的线缆，所述一个或多个内部HTS条带布置在所述外部HTS条带之间并且具
有金属包层，所述金属包层在所述两个外部HTS条带的所述HTS层之间提供导电路径。14.根据权利要求13所述的方法，其中，在去除材料之前和/或之后，所述一个或多个内部HTS条带沿所述线圈的所述轴线的范围小于所述外部HTS条带沿所述线圈的所述轴线的范围。15.根据权利要求14所述的方法，其中，在去除材料之前和/或之后，所述一个或多个内部HTS条带和所述外部HTS条带的各自相应的轴向边缘沿着所述线缆的边缘彼此对齐。16.一种制造电磁体的方法，所述电磁体包括安装在凹部或封闭空间内的高温超导体HTS场线圈，所述方法包括：根据前述权利要求中任一项所述的方法制造HTS场线圈，其中，从所述HTS场线圈的所述一个或多个HTS条带的所述轴向边缘去除材料的步骤包括：去除材料以使所述HTS场线圈适应以配合所述凹部或所述封闭空间；和将所述HTS场线圈安装到所述凹部或所述封闭空间中。17.一...

【专利技术属性】
技术研发人员：格雷格，
申请(专利权)人：托卡马克能量有限公司，
类型：发明
国别省市：