阅读说明：本技术 一种双热开关磁通泵励磁的rebco环片高温超导磁体 (Double-thermal switch flux pump excited REBCO annular sheet high-temperature superconducting magnet ) 是由 柴华 王银顺 陈宇恒 刘伟 皮伟 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种双热开关磁通泵励磁的REBCO环片高温超导磁体。该高温超导磁体是将REBCO高温超导片和绝缘片制成含半圆形凸起的圆形环片后交替堆叠并采用固定装置进行固定制成,该磁体依靠热开关和励磁线圈构成的磁通泵进行励磁。环片上有一大一小两个圆孔,两圆孔中间部分及环形片凸起部分称为“桥”。热开关通过在桥上缠绕加热线圈构成,加热线圈通电流进行加热时,热开关断开,停止加热后,热开关闭合。通过控制励磁线圈和加热线圈中电流时序进行励磁,大圆孔外围和两圆孔中间的桥构成被励磁的闭合回路。本发明中的励磁方法能逐步在空间中产生稳定的磁场,能实现高温超导磁体无电流引线的闭环运行。(The invention discloses a double-thermal switch flux pump excited REBCO annular sheet high-temperature superconducting magnet. The high-temperature superconducting magnet is manufactured by alternately stacking REBCO high-temperature superconducting sheets and insulating sheets after being manufactured into circular ring sheets with semicircular bulges and fixing the circular ring sheets by adopting a fixing device, wherein the magnet is excited by a magnetic flux pump consisting of a thermal switch and an excitation coil. The ring plate is provided with a big round hole and a small round hole, and the middle parts of the two round holes and the protruding part of the ring plate are called as a bridge. The thermal switch is formed by winding a heating coil on the bridge, and when the heating coil is electrified to heat, the thermal switch is disconnected, and after the heating is stopped, the thermal switch is closed. The excitation is carried out by controlling the current time sequence in the exciting coil and the heating coil, and a bridge at the periphery of the large circular hole and between the two circular holes forms an excited closed loop. The excitation method can gradually generate a stable magnetic field in space, and can realize the closed-loop operation of the high-temperature superconducting magnet without a current lead.)

一种双热开关磁通泵励磁的REBCO环片高温超导磁体

技术领域

本发明属于高温超导磁体应用领域，特别提出一种双热开关磁通泵励磁的REBCO环片高温超导磁体。

背景技术

ReBCO高温超导材料临界温度高、临界磁场高而且临界电流密度大，且在强磁场环境下依旧拥有较高的载流能力，拥有高温超导磁体应用方面的前景。

超导磁体相较常规磁体而言有着巨大的优势，主要体现在运行时几乎无焦耳热的消耗以及能够产生常规磁体无法企及的强磁场。超导磁体主要应用于粒子加速器、核磁共振、磁悬浮列车等各个领域。

对超导磁体进行励磁的方式主要分为两种，一种是通过电流引线直接通电流进行驱动，另一种是通过电磁感应进行励磁。然而，与低温超导(LTS)磁体相比，由于材料本身的特性以及无阻焊接技术的不成熟，使得高温超导磁体无法配合电流引线和电源实现闭环运行。因此目前高温超导磁体最合适的励磁方法都是利用电磁感应原理进行励磁，其中常用的励磁方法有：场冷励磁、脉冲场励磁以及磁通泵励磁。

针对上述问题，提出一种由双热开关磁通泵励磁的REBCO圆形环片高温超导磁体的制备方式及其应用，包括REBCO圆形环片高温超导磁体的结构，双热开关磁通泵的结构及励磁过程两部分。REBCO圆形环片高温超导磁体结构稳定，能够输出稳定的强磁场，而且不需要额外的绝缘处理。通过热开关和电流源配合的磁通泵励磁方式，能够实现高温超导磁体在持续电流模式下的无电流引线的闭环运行。

发明内容

本发明的目的在于提出一种双热开关磁通泵励磁的REBCO环片高温超导磁体，具体技术方案如下：

一种双热开关磁通泵励磁的REBCO环片高温超导磁体，其特征在于，该装置由REBCO环片高温超导磁体和磁通泵两部分组成。

其中，REBCO环片高温超导磁体是由REBCO圆形环片和绝缘圆形环片依次堆叠制成，通过在上方和下方加法兰片并配合螺栓和螺母固定其结构。

其中，REBCO圆形环片和绝缘圆形环片的结构均为含半圆形凸起的圆形环片。

其中，含半圆形凸起的圆形环片外轮廓为两个大小不同的圆相交后的外轮廓，大圆和小圆又在各自的中心位置切割出一大一小两个圆孔，且两个圆孔之间不连通。

其中，绝缘圆形环片的形状和尺寸与REBCO圆形环片相同。

其中，REBCO圆形环片的组成由下至上分别为衬底、缓冲层、REBCO层以及金属保护层。

其中，衬底通常选用哈氏合金或者不锈钢，缓冲层通常为绝缘的金属氧化物，金属保护层通常选用银和铜。

其中，绝缘片可以选用牛皮纸、聚丙烯层压纸或环氧薄片。

其中，法兰片的材料通常选用环氧树脂和环氧玻璃钢，螺栓和螺母材料通常选用无磁不锈钢。

其中，磁通泵由热开关和励磁线圈组成。

其中，热开关由紧密缠绕着加热线圈的“桥”构成，加热线圈可以采用漆包的锰铜线、铜线或铝线等绕制而成，励磁线圈可以由漆包的铜线或铝线等绕制而成。

其中，圆环中央的大圆孔和凸起上的小圆孔之间的部分称作“桥1”，凸起部分称作“桥2”，分别在桥1和桥2上紧密缠绕加热线圈1和加热线圈2来构成热开关1和热开关2。

其中，热开关的加热线圈两端分别焊接电流引线并连接至电源。

其中，向热开关的加热线圈通电流将桥加热至失超可以使热开关处于断开状态，停止加热后，桥在低温环境下恢复至超导态可以使热开关处于闭合状态。

其中，超导磁体运行时通过液氮浸泡的方式冷却至超导态，通过控制励磁线圈和加热线圈中电流时序进行励磁。

其中，控制励磁线圈和加热线圈中电流时序进行励磁的单个周期具体过程为:

(1)将励磁线圈置于小圆孔中，断开热开关2，向励磁线圈中通电流。

(2)闭合热开关2，断开开关1，停止向励磁线圈中通电流。

(3)闭合热开关1，断开热开关2。

(4)闭合热开关2准备进入下一个周期。

其中，通过多个周期的励磁可以在大孔外围和桥1构成的闭合回路中积累电流至期望值，在空间中产生期望大小的磁场。

本发明的有益效果为：本发明提供的REBCO环片高温超导磁体内部各个REBCO圆形环片和绝缘圆形环片通过无焊接的方式固定，结构紧凑，制备工艺简单而且拆卸难度小；所得高温超导磁体通过磁通泵进行励磁，无需焊接电流引线就可以实现持续电流模式下的闭环运行；另外，所得高温超导磁体可以在大空间范围内产生磁场，运行稳定，在强磁场领域有着广阔的应用前景。

附图说明

图1为含双热开关的REBCO圆形环片结构示意图。

图2为绝缘圆形环片结构示意图。

图3为REBCO圆形环片和绝缘圆形环片堆叠成的高温超导磁体的结构示意图。

图4为励磁过程中每个周期加热线圈1中电流的时序图。

图5为励磁过程中每个周期加热线圈2中电流的时序图。

图6为励磁过程中每个周期励磁线圈中电流的时序图。

具体实施方式

本发明提供了一种双热开关磁通泵励磁的REBCO环片高温超导磁体的制备方式及应用。下面将结合附图对本发明进行进一步地详细说明。

图1所示为REBCO圆形环片的结构示意图。REBCO圆形环片采用与第二代高温超导涂层导体相同的衬底材料制作出含半圆形凸起的圆片状衬底；按照尺寸将含半圆形凸起的原片状衬底切除一大一小的两个圆孔形成含半圆形凸起的圆形环片。其中圆形环片的外轮廓为半径为R₁的大圆和半径为r₁的小圆相交后的外轮廓，二者圆心间距为l，随后切割出与大圆共圆心的半径为R₂的大圆孔，与小圆共圆心的半径为r₂的小圆孔，制成含半圆形凸起的圆形环片状的衬底1-1。接着采用目前第二代高温超导涂层导体使用的缓冲层在衬底1-1上沉积缓冲层1-2。然后在缓冲层1-2上使用目前第二代高温超导涂层导体使用的薄膜涂层技术镀上REBCO薄膜1-3。最后在REBCO薄膜1-3上镀上银和铜薄膜作为保护层1-4，最终形成含半圆形凸起的REBCO圆形环片。分别在REBCO圆形环片的桥1和桥2上缠绕加热线圈形成热开关1和热开关2。

图2所示为绝缘圆形环片的结构示意图。所述绝缘圆形环片形状与REBCO圆形环片相同，都是在含半圆形凸起的圆片上切除一大一小两个圆孔后形成了半圆形凸起的圆形环片。绝缘圆形环片的形状和尺寸与REBCO圆形环片相同。

制备图3所示的REBCO圆形环片和绝缘圆形环片堆叠成的高温超导磁体，具体步骤为：

(1)水平放置第1片绝缘圆形环片Ⅰ，随后在其上方放置第1片REBCO圆形环片Ⅱ，REBCO圆形环片的保护层朝上，两个孔的圆心分别和绝缘环形圆片垂直对齐。

(2)从下到上，依次堆叠第2片绝缘圆形环片Ⅰ、第2片REBCO圆形环片Ⅱ、……、第N片绝缘圆形环片Ⅰ、第N片REBCO圆形环片Ⅱ、第N+1片绝缘圆形环片Ⅰ。其中N片REBCO圆形环片Ⅱ的保护层均朝上。

(3)堆叠完成后，用加热线圈3-1和3-2分别将所有环形片的桥1和桥2缠绕在一起，然后上下加法兰片3-3固定，4根螺栓3-4穿过法兰片的定位孔后配合螺母3-5将REBCO圆形环片、绝缘圆形环片压紧固定形成高温超导磁体。

图4所示为励磁过程每个周期励磁线圈和加热线圈中电流的时序图，励磁过程为：

(1)将励磁线圈3-6连接电源3-7后置于小圆孔中，0时刻通过电源3-9开始向加热线圈3-2中通电流来断开热开关2，t₁时刻开始向励磁线圈3-6中通电流。

(2)t₃时刻停止向加热线圈3-2通电流，开始通过电源3-8向加热线圈3-1通电流，热开关2在冷却后闭合，热开关1断开。t₅时刻停止向励磁线圈3-6中通电流。

(3)t₆时刻停止向加热线圈3-1通电流，热开关1冷却后闭合，t₇时刻开始向加热线圈3-2通电流，断开热开关2。

(4)t₈时刻停止向加热线圈3-2通电流，热开关2冷却后闭合，准备进入下一个周期。

通过多个周期的励磁可以在大孔外围和桥1构成的闭合回路中积累电流至期望值，在空间中产生期望大小的磁场。

以上所述，仅为本发明的一种具体实施方式的示例，但本发明保护范围并不仅限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，如改变超导片的形状或改变励磁电流的波形等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。