一种不锈钢骨架Nb3Sn超导磁体螺线管线圈。其线圈骨架采用无磁不锈钢材料。线圈骨架由直管状的芯筒和端板组成。在芯筒的外表面和端板的内侧均有导热层和氧化铝陶瓷涂层，导热层位于陶瓷涂层与线圈骨架之间。在陶瓷涂层外绕制Nb3Sn超导线圈。超导线圈最外层是复合绑扎层。复合绑扎层的内层为耐高温的无碱玻璃丝布，外层为无磁的不锈钢丝。超导磁体线圈间隙内通过真空浸渍方法填充满固化填充材料。线圈骨架上均匀排布有通孔。线圈骨架端板进出线孔内安装有陶瓷绝缘套管，Nb3Sn超导线从陶瓷绝缘套管中经过线圈骨架端板，引向线圈骨架外部。陶瓷绝缘套管为近似“T”形空心圆柱结构，该陶瓷绝缘套管将Nb3Sn超导线与线圈骨架隔离定位并保持电绝缘。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种超导磁体线圈，特别涉及一种不锈钢骨架Nb3Sn超导磁体螺线管线圈。
技术介绍
Nb3Sn超导材料与其他超导材料相比，具备高场(10T以上)条件下临界电流密度高、临界温度高、性能稳定等综合优点，在高场磁体、核磁共振以及受控核聚变装置中具有不可替代的作用。Nb3Sn超导磁体系统主要由Nb3Sn超导磁体线圈、制冷及低温器件、电气测量与控制等三大部分组成。其中，Nb3Sn超导磁体线圈是超导磁体系统的核心部件，强磁场的产生 就是Nb3Sn超导线圈在低温超导状态下两极通电从而产生的。根据对磁场分布形态的不同需求，超导磁体线圈具备多种形状，如螺线管形、鞍形、饼形等。其中，螺线管形状的超导磁体线圈应用范围最广泛。超导磁体线圈是需要由超导线绕制在线圈骨架上完成。超导磁体线圈骨架在磁体系统中起到承载超导磁体线圈绕组、定位空间位置、传导低温冷量、固定其它电气元件的作用。线圈骨架材料的选取条件是(I)需要具备较高的强韧性和刚度，能够承载线圈在强磁场洛伦兹力作用下导致的形变；(2)能够经受冷热循环冲击，不发生变形、开裂等形式的失效；(3)低温导热性能好，能够及时将外部冷却介质的冷量通过线圈骨架材料传导到线圈内部，能够在线圈出现局部热点的时候迅速将热量传导到外部，防止局部温升异常致使线圈失超甚至烧毁；(4)无铁磁性。线圈骨架的铁磁性会对线圈磁场的形位和场强都造成干扰，因此线圈骨架必须具备无铁磁性。Nb3Sn材料中具备A-15结构的Nb3Sn化合物相的高度有序结构是产生超导电性的原因。由于Nb3Sn化合物塑、韧性差，容易受到外界损伤从而破坏了超导性，因此无法直接制成具备超导性能的Nb3Sn线材。在Nb3Sn磁体实际工程使用中，需要首先制成具有较好塑性和强度的铌一铜锡合金复合线，并将之绕在设计的线圈骨架上，然后将线圈连同线圈骨架整体进行60(T70(TC真空热处理，通过元素扩散反应生成具备超导电性的Nb3Sn化合物，形成Nb3Sn超导线圈。热处理反应后再将Nb3Sn超导线圈进行真空浸溃工艺处理，使线圈导线内外灌满液态环氧树脂，以强化超导线圈整体的强度。在热处理过程中，线圈骨架需要在高温环境下经受7 20天甚至更长的连续处理，显然通常采用的环氧树脂、铜合金、铝合金等熔点或软化温度较低的线圈骨架材料已不能满足高温实验环境要求，而且常用的环氧树脂、聚酰亚胺、聚酯等绝缘材料也已经失效，因此需要采用新的线圈骨架和绝缘技术满足Nb3Sn超导磁体线圈的要求。在选择线圈骨架材料的同时，也需要对线圈骨架结构、进出线结构进行特殊设计，并需考虑后续工艺的连接。综上所述，在超导磁体建造工艺中，现有材质和结构的超导线圈骨架及其超导磁体线圈结构具有一定的缺点，需要开发一种新型的超导磁体线圈结构满足Nb3Sn超导磁体线圈的技术要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有的Nb3Sn超导磁体线圈结构中在线圈骨架材料和绝缘性能方面存在的问题，提出一种基于不锈钢材料骨架的新型超导磁体螺线管线圈。本专利技术能够经受长时间高温热处理和液氦温度低温运行，满足Nb3Sn磁体的技术要求。本专利技术采用的技术方案在于一种不锈钢骨架Nb3Sn超导磁体螺线管线圈，是由Nb3Sn超导线逐匝、逐层地紧密绕制在线圈骨架上组成；所述线圈的骨架采用无磁不锈钢材料制作；所述的线圈骨架由直管状的芯筒和位于芯筒两端的端板组成，所述芯筒的外表面和所述端板内侧均有导热层和陶瓷涂层，其中，陶瓷涂层材质为氧化铝，采用等离子喷涂工艺制备；导热层材质为银，位于陶瓷涂层与骨架之间。所述的陶瓷涂层外绕制有Nb3Sn超导线圈，所述的Nb3Sn超导线圈的最外层是复合绑扎层。在所述的陶瓷涂层与复合绑扎层之间的超导磁体线圈的间隙内充满固化填充材料。其中，固化填充材料为掺有球形陶瓷颗粒的低温聚氨酯改性环氧树脂材料。其中，球形陶瓷颗粒材料为氮化硼或氮化铝，球形陶瓷颗粒直径为50-300微米，球形陶瓷颗粒与低温聚氨酯改性环氧树脂材料的质量配比为1:6。经过改性的环氧树脂材料相比普通环氧树脂材料，其低温强度更高，抗热震性能更好。氮化铝陶瓷的常温理论热导率可达300W/(m*K)，45K时热导率值为25W/(m.K)，在131K附近达到了约92W/(m .K)。这说明氮化铝在低温下是良好的导热体，又由于有着极好的电绝缘性能，非常适合在超导系统中用作绝缘导热材料。同样，氮化硼的晶体结构与石墨极其相似，具有熔点高、密度小、热膨胀系数小、导热性好、抗热震性优良、电绝缘性好、介电常数和介电损耗小等优良的特性。因此在低温聚氨酯改性环氧树脂材料掺杂氮化硼或氮化铝球形陶瓷颗粒可以不影响电气绝缘性能的同时有效提高材料的低温热导率。其中，超导线圈骨架上均匀排布有通孔，所述的通孔专门用于Nb3Sn超导线圈的液态固化填充材料浸溃。通过该通孔，采用真空浸溃方式在所述的线圈骨架及陶瓷涂层与复合绑扎层之间的超导磁体线圈的间隙内充满固化填充材料。由于Nb3Sn超导线需在在热处理后才能表现出超导性能，且热处理后超导线材料本身非常脆，极易折损，需要在热处理前完成Nb3Sn线圈绕制。由于固化填充材料中的基体材料为环氧树脂，而环氧树脂在高温环境下会发生失效，因此必须在热处理以后再进行固化填充材料的固化。为了使液态固化填充材料能够顺利穿过超导线层，渗透到超导磁体线圈内部，在超导磁体线圈骨架上设置的通孔便于液态固化填充材料流入超导磁体线圈内的超导线缝隙之间，完成浸溃处理。此外，在超导线圈骨架上均匀排布有通孔的作用还可以有效钉扎抑制陶瓷涂层裂纹的扩展，保护陶瓷涂层。 其中，线圈骨架的端板上开有出线孔，出线孔内安装有陶瓷绝缘套管，Nb3Sn超导线从陶瓷绝缘套管中经线圈骨架端板，引向线圈骨架外部。陶瓷绝缘套管保证了 Nb3Sn超导线和线圈骨架之间的电气绝缘性能，防止磁体失超时瞬时的高压造成超导磁体线圈和线圈骨架之间的绝缘击穿，损伤超导磁体。其中，所述的复合绑扎层为双层结构，其内层为耐高温的无碱玻璃丝布，外层为无磁的不锈钢丝。内层的无碱玻璃丝布能够经受长时间高温热处理而保持优异的绝缘性能，在液态固化填充材料浸溃过程中，无碱玻璃丝布可浸溃吸收一部分液态固化填充材料，形成类似玻璃钢块体的高强度材料。外层的无磁的不锈钢丝紧紧绑扎住超导磁体线圈，防止在通电时超导磁体线圈在电磁力的作用下沿半径方向向外扩张变形过大，造成超导磁体线圈失超甚至损坏。 其中，所述的陶瓷绝缘套管为近似“T”形的空心圆柱结构，其外圆柱面的台阶为锥形，锥度角a为90度，材料为氧化铝；所述的线圈骨架的端板上的出线孔也为近似“T”形的圆柱孔，其内孔面的台阶为锥形，其锥度角与陶瓷绝缘套管外圆柱面的锥形台阶的锥度角a相等；陶瓷绝缘套管从线圈骨架的端板内侧插入所述的出线孔中，并通过超导磁体线圈内超导线对陶瓷绝缘套管的轴向挤压力实施对陶瓷绝缘套管的轴向定位，通过陶瓷绝缘套管的外圆柱面的锥形台阶面与线圈骨架端板上出线孔的内孔锥形台阶面两者之间的接触配合对其进行径向定位；Nb3Sn超导线从陶瓷绝缘套管的中心孔中穿出线圈骨架，引向线圈骨架外部。陶瓷绝缘套管起到将Nb3Sn超导线与线圈骨架隔离定位并保持电绝缘的作用。其中，采用等离子喷涂工艺制备的氧化铝陶瓷涂层绝缘性能优异，绝缘等级高，t匕重轻。相比其他陶瓷材料，氧化铝低本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种不锈钢骨架Nb3Sn超导磁体螺线管线圈，其特征在于所述的Nb3Sn超导磁体线圈由Nb3Sn超导线逐匝、逐层地紧密绕制在线圈骨架上组成；所述的超导磁体线圈的骨架采用无磁不锈钢材料制作；所述的线圈骨架由直管状的芯筒和位于芯筒两端的端板组成；所述芯筒的外表面和所述端板的内侧均有导热层和陶瓷涂层；所述的导热层位于陶瓷涂层与骨架之间；所述的陶瓷涂层外绕制有Nb3Sn超导线圈，所述的Nb3Sn超导线圈的最外层是复合绑扎层；在所述的陶瓷涂层与复合绑扎层之间的超导磁体线圈的间隙内充满固化填充材料。2.根据权利要求I所述的不锈钢骨架Nb3Sn超导磁体螺线管线圈，其特征在于所述的线圈骨架的端板上开有出线孔，所述的出线孔内安装有陶瓷绝缘套管，Nb3Sn超导线从陶瓷绝缘套管中经过线圈骨架的端板穿出，引向线圈骨架外部。3.根据权利要求2所述的不锈钢骨架Nb3Sn超导磁体螺线管线圈，其特征在于所述的陶瓷绝缘套管为近似“T”形的空心圆柱结构，其外圆柱面上设有锥形台阶，锥度角α为90度，材料为氧化铝；所述的线圈骨架的端板上的出线孔也为近似“Τ”形的圆柱孔，其内孔面也设有锥形台阶，其锥度角与陶瓷绝缘套管外圆柱面的锥形台阶的锥度角α相等；陶瓷绝缘套管从线圈骨架的端板内侧插...
【专利技术属性】
技术研发人员：程军胜，王秋良，戴银明，宋守森，崔春艳，王晖，李毅，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：
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