发明内容

为了解决上述技术问题，突破现有实验类超导磁体的低磁场、小孔径等局限性，拓展对不同材料的低温物性测量功能，本发明提出了一种液氦浸泡式大孔径实验类密绕高场复合超导磁体及其制作方法，该高场复合超导磁体具有高磁场、大孔径、结构紧凑、制作简易、性能稳定等特点。考虑到近几年，随着Nb₃Sn在高场(B≥15T)下临界性能的提升，在高场超导磁体领域15-20T的磁场区间具有极大的应用价值，同时也为大孔径实验类高场超导磁体的研制提供了可能性。因此，为充分发挥不同性能级别实用型超导材料在相应磁场区域的优势，尽可能地降低磁体的制造成本，本发明涉及的高场超导磁体由多个采用不同超导线绕制的磁体线圈以同心共轴的结构组合而成，称为高场复合超导磁体。为进一步压缩磁体的外形尺寸，提升每个线圈的磁场贡献率，该实验类高场复合超导磁体线圈采用奇-偶紧密绕线的方式进行绕制。

本发明的技术方案为：一种液氦浸泡式大孔径实验类密绕高场复合超导磁体，包括多组由不同超导材料绕制的螺线管磁体线圈、超导抽头、磁体线圈电流引线、磁体上、下端板、磁体上盖板和排线板；所述多组由不同超导材料绕制的螺线管磁体线圈包括分别由高场Nb₃Sn、ITER TF Nb₃Sn、NbTi超导材料绕制的螺线管磁体线圈，不同螺线管磁体线圈以串联方式进行连接；所述超导抽头对每个螺线管磁体线圈进行分段，以便外接失超检测与保护系统；所述磁体线圈电流引线，用于串联不同螺线管磁体线圈，并为复合螺线管磁体线圈通流励磁；所述磁体上、下端板，通过紧固螺栓与不同螺线管磁体线圈连接，对螺线管磁体线圈进行限位，保证多组螺线管磁体线圈的同心共轴特性；所述磁体上盖板，通过紧固螺栓与磁体上端板紧密连接，封装磁体上端剩余空间；所述排线板，通过螺杆与磁体上盖板连接，用于排布、固定连接超导抽头的电位线和磁体电流引线。

进一步的，所述多组由不同超导材料绕制的螺线管磁体线圈，包括使用奇-偶密绕方法绕制的不同尺寸规格的螺线管磁体线圈，由内到外分别是由高场Nb₃Sn超导线绕制的螺线管磁体线圈，由ITER Nb₃Sn超导线绕制的螺线管磁体线圈，由NbTi超导线绕制的螺线管磁体线圈，所述螺线管磁体线圈的孔径、尺寸、数量由所需磁体孔径、磁场大小、质量和复合磁体线圈的外径限制决定。多组螺线管磁体线圈以同心共轴的方式进行组合，由内到外，多组螺线管磁体线圈两端呈台阶式排列，所述螺线管磁体线圈的高度由复合磁体线圈所需中心均匀场的轴向长度大小决定。所述螺线管磁体线圈，包括磁体骨架直筒、上法兰与下法兰，直筒绝缘层和端部绝缘层，超导线圈和预紧线圈。所述磁体骨架直筒、上法兰与下法兰，材料是不锈钢，最内侧磁体壁厚小于等于5mm,磁体骨架上、下法兰中心开有通孔，孔径等于磁体骨架直筒外径，磁体骨架上、下法兰焊接在磁体骨架直筒两端；磁体骨架上、下法兰外环面均布半圆通孔，用于提供液体通流路径，磁体骨架上、下法兰外表面均布非通螺纹孔；磁体骨架上法兰为开环结构，开环处为超导线圈的进、出线端；磁体骨架上法兰开环处的外表面两端开有非通螺纹孔，用于固定超导抽头和磁体线圈电流引线。所述直筒绝缘层，Nb₃Sn螺线管磁体线圈中使用的材料为云母玻璃纤维，NbTi螺线管磁体线圈中使用的材料为特氟龙玻璃纤维，缠绕在磁体骨架直筒外壁。所述端部绝缘层，Nb₃Sn螺线管磁体线圈中使用的材料为云母，NbTi螺线管磁体线圈中使用的材料为G10，端部绝缘层外径与磁体骨架上、下法兰外径相同。所述超导线，材料为高场Nb₃Sn，ITER TF Nb₃Sn和NbTi，经线圈进、出线端沿直筒绝缘层外壁紧密缠绕，偶数层匝数较奇数层匝数少一匝。所述预紧线圈，材料为不锈钢丝，经线圈进、出线端沿超导线圈外壁紧密缠绕，预紧线圈外径小于等于磁体骨架上、下法兰外径。

进一步的，所述超导抽头包括超导抽头支架和超导线，Nb₃Sn螺线管磁体线圈的超导抽头支架材料为不锈钢，NbTi螺线管磁体线圈的超导抽头支架为G10，均包括基座、立柱和限位块。所述基座与立柱为一体结构，Nb₃Sn螺线管磁体线圈的超导抽头基座经氮化铝绝缘块，使用紧固螺栓固定在磁体骨架上法兰开环处外表面，NbTi螺线管线圈的超导抽头基座直接通过紧固螺栓固定在磁体骨架上法兰开环处外表面；所述立柱表面加工有U形槽，超导线沿U形槽进行布线；所述限位块通过紧固螺栓与立柱连接，用于限定立柱表面U形槽中的超导线。

进一步的，所述磁体线圈电流引线，包括磁体线圈电流引线进线和出线端，材料为无氧铜。所述超导材料进线和出线端，包括基座和立柱，为一体结构。所述磁体线圈电流引线基座，经“倒T”形氮化铝绝缘块，通过紧固螺栓固定在磁体骨架上法兰开环处外表面。所述磁体线圈电流引线立柱表面加工有凹槽，用于固定超导电流引线。

进一步的，所述磁体上、下端板材料为不锈钢。磁体上、下端板为圆形多台阶“凸”形结构，中心开有圆形通孔，孔径等于螺线管复合磁体的内径。

凸形台阶外径取决于每个螺线管磁体线圈的内径大小，凸形台阶的高度取决于相邻螺线管磁体线圈的高度差。所述磁体上端板为开环结构，开环位置对应超导抽头和磁体线圈电流引线位置。

进一步的，所述磁体上盖板材料为不锈钢，磁体上盖板为非闭合圆环结构，圆环内径等于螺线管复合磁体的内径；开环位置对应超导抽头和磁体线圈电流引线位置；磁体上盖板通过均布紧固螺栓与磁体上端板紧密连接。

进一步的，所述排线板材料为G10，排线板为非闭合圆环结构，圆环内径等于螺线管复合磁体的内径；开环位置对应超导抽头和磁体线圈电流引线位置；排线板通过螺杆与螺母固定在磁体上盖板上，固定高度取决于超导抽头和磁体线圈电流引线顶部出线位置。

根据本发明的另一方面，提出一种液氦浸泡式大孔径实验类密绕高场复合超导磁体的制作方法，包括如下步骤：

1.对各磁体线圈骨架进行绝缘处理；预留足够长度的磁体线圈电流引线，将一段超导线正转绕在绕制工装上；经磁体骨架上法兰进线端，将超导线沿磁体骨架直筒绝缘层外壁正转紧密绕制，直到绕制到磁体骨架下法兰处，结束磁体线圈第一层绕制；进行超导磁体线圈跨层处理，沿磁体线圈第一层匝间缝隙轨道正转绕制第二层磁体线圈，直到绕制到磁体骨架上法兰处，到达磁体线圈第一层第一匝与第二匝的缝隙之间结束第二层磁体线圈的绕制；进行超导磁体线圈跨层处理，沿磁体线圈第二层匝间缝隙轨道正传绕制第三层线圈，此时第三层磁体线圈首匝应置于磁体骨架上法兰与磁体线圈第二层第一匝之间；如此反复，实现磁体线圈的奇-偶紧密绕制；

2.当绕线到达指定层数后，制作超导抽头，将超导线沿超导抽头支架的立柱表面凹槽进行U形路径布线，并使用限位块锁定超导线与超导抽头支架的相对位置；超导线沿路径回归螺线管磁体线圈位置后，重复奇-偶绕制，直到磁体线圈层数达到指定层数，绕线末端回归磁体骨架上法兰端，用玻璃纤维布缠绕螺线管磁体线圈，并使用喉箍锁住螺线管磁体线圈出现端，将磁体线圈出线端固定在绕制工装上；

3.将不锈钢丝的一端固定在绕制工装上，经磁体骨架上法兰进线端，将不锈钢丝沿玻璃纤维覆盖的磁体线圈外壁正转紧密绕制，直到绕制到磁体骨架下法兰处，结束预紧线圈第一层绕制；进行预紧线圈跨层处理，沿预紧线圈第一层匝间缝隙轨道正转绕制第二层预紧线圈，直到绕制到磁体骨架上法兰处；如此反复，直到预紧线圈层数达到指定层数，绕线末端回归磁体骨架上法兰端，并使用喉箍锁住螺线管磁体线圈出现端，将磁体线圈出线端固定在绕制工装上；

4.将绕制完成的Nb₃Sn螺线管磁体线圈分别进行高温热处理；随后对螺线管磁体线圈分别进行超导抽头电位线和磁体电流引线NbTi延长线焊接；将磁体线圈分别装入封装工装中，在一定温度、真空环境下，注入配好的低温环氧树脂，待页面到达磁体骨架上法兰处，停止注入；待低温环氧树脂加热固化后，形成螺线管超导磁体线圈；

5.将多组超导磁体线圈与磁体上、下端板进行连接；封装磁体上盖板；加装排线板，根据超导抽头和磁体电流引线出线口位置调节排线版高度；将多组超导磁体线圈串联，并将连接线固定在排线板上，通过排线板固定超导抽头点位线和磁体线圈电流引线延长线，形成复合超导磁体。

有益效果：

本发明提出的液氦浸泡式大孔径实验类密绕高场复合超导磁体在4.2K液氦温区，120A稳定通流状况下可产生≥15T中心磁场，复合磁体的孔径≥70mm。本发明采用奇-偶绕线法绕制密绕线圈，有效控制密绕线圈匝间距，保证线圈的紧密度和平整度。本发明采用同轴共心的装配方式及多种类超导线绕制线圈相互配合的模式，相对于现有的超导磁体技术，减小了复合磁体线圈的尺寸规模，提升了磁体的磁场强度与磁体中心孔径。本发明根据超导线不同的临界特性，使用复合磁体线圈结构密绕实验类高场超导磁体，提升不同类型超导材料的利用率，降低了高场超导磁体的制造成本。