内插YBCOBITTER型高温超导线圈的超导磁体系统.pdf

一种内插YBCO-Bitter型高温线圈的超导磁体系统。内插YBCO-Bitter型高温超导线圈(8)插入由NbTi和Nb3Sn组成的外围超导线圈(10)的内孔中。内插YBCO-Bitter型高温超导线圈(8)位于低温容器(9)中，外围超导线圈(10)放置在低温容器(11)中，低温容器(9、11)内充有液氦(12)。内插YBCO-Bitter型高温超导线圈(8)由多片YBCO环状片(1)叠加组成，YBCO环状片(1)嵌套在不锈钢环(6)内。每片YBCO环状片(1)之间设置镀有氮化铝薄膜的高纯铜环片(2)。多片YBCO环状片(1)和多片高纯铜环片(2)沿同一轴向叠加在一起，通过不锈钢中心孔管(3)和端部法兰(4)组装在一起，经环氧树脂浸泡后固化成整体。本发明结构简化，系统漏热小，产生的磁场稳定。

1、  一种内插YBCO-Bitter型高温超导线圈的超导磁体系统，包括低温容器(9)、由NbTi和Nb3Sn组成的外围超导线圈(10)、外围超导线圈的低温容器(11)和外支撑结构(13)，外围超导线圈(10)放置在外围超导线圈的低温容器(11)中，外围超导线圈的低温容器(11)内充有液氦(12)，其特征在于所述的磁体系统还包括内插YBCO-Bitter型高温超导线圈(8)；内插YBCO-Bitter型高温超导线圈(8)插入由NbTi和Nb3Sn组成的外围超导线圈(10)的内孔中，内插YBCO-Bitter型高温超导线圈(8)位于低温容器(9)中，低温容器(9)内充有液氦(12)。

2、  按照权利要求1所述的内插YBCO-Bitter型高温线圈，其特征在于所述内插YBCO-Bitter型高温超导线圈(8)由多片YBCO环状片(1)叠加组成，每片YBCO环状片(1)之间设置镀有氮化铝薄膜的高纯铜环片(2)；多片YBCO环状片(1)和多片高纯铜环片(2)沿同一轴向叠加在一起，通过由不锈钢中心孔管(3)和端部法兰(4)组装在一起，经环氧树脂浸泡后固化成整体。

3、  按照权利要求2所述的内插YBCO-Bitter型高温线圈，其特征在于所述的每片YBCO环状片(1)嵌套在不锈钢环(6)内。

内插YBCO-Bitter型高温超导线圈的超导磁体系统
技术领域
本发明涉及一种高磁场超导磁体系统，特别涉及一种用于产生极高磁场的内插YBCO-Bitter型高温超导线圈的超导磁体系统。
背景技术
高磁场超导磁体主要应用于工业和科学仪器等方面。通常使用NbTi和Nb₃Sn材料组合的超导磁体系统可以产生高磁场，当温度为4K时最高磁场可以达到18T，降低线圈的运行温度到2.2K时，磁体中心磁场达到21T。近年来，由于高电流密度的Nb₃Sn超导线材的研制成功，当线圈的运行温度1.8K时，超导磁体可以提供的最大磁场达到22.3T。使用高温超导线圈作为内插线圈，例如，Bi2223和Bi2212带材制成内插线圈，可提供的最大磁场达到25T，使用YBCO(钇钡铜氧化物)高温超导涂层制成的内插线圈可使超导磁体的最大磁场达到26.8T。上述线圈结构由于使用带材绕制，需通过电流引线和电源连接，因而有低温热负荷较大、磁场的稳定度较差。为了提高NbTi和Nb₃Sn组合形成的超导线圈的中心磁场，需要发展具有较高磁场稳定度的内插高温超导线圈，以提高超导磁体的中心磁场可达到25T。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有内插高温超导线圈的超导磁体低温热负荷较大，磁场的稳定度较差的不足，本发明提出一种内插YBCO-Bitter型高温超导线圈的超导磁体系统，该系统不仅磁场高，而且低温热负荷小，磁场稳定。
本发明提出一种新型的内插高温超导线圈，用YBCO高温超导块制成YBCO环状片，多片YBCO环状片叠加形成内插高温超导线圈，在外磁场磁化条件下形成较高的俘获磁场。由于线圈是由多片YBCO环状片叠加组合而成，其结构与Bitter电阻磁体具有相同的结构，因此称为内插YBCO-Bitter型高温超导线圈。这种线圈是通过磁化具有较高上临界磁场的YBCO超导块俘获磁通，因此不需要电流引线，可以减小磁体系统的漏热，产生稳定的磁场。
本发明由内插YBCO-Bitter型高温超导线圈、低温容器、NbTi和Nb3Sn组成的外围超导线圈、外围超导线圈的低温容器和外支撑结构组成。内插YBCO-Bitter型高温超导线圈位于低温容器中，低温容器内充有液氦，高温超导线圈周围由液氦冷却到4K运行温度。YBCO环状片嵌套在不锈钢环内，每片YBCO环状片之间设置镀有氮化铝薄膜的高纯铜环片。多片YBCO环状片和多片高纯铜环片沿同一轴向叠加在一起，通过不锈钢中心孔管和端部法兰组装在一起，用环氧树脂浸泡后固化成整体，形成刚性很高的螺管形的内插YBCO-Bitter型高温超导线圈。该线圈直接插在由NbTi和Nb3Sn组成的外围超导线圈的内孔，形成NbTi、Nb3Sn和YBCO三种材料组成的高磁场超导磁体系统，该超导磁体系统中心磁场可以达到25T-30T。
本发明利用YBCO高温超导体在4K时具有较高上临界磁场和较高的俘获磁场的特点。使用YBCO环状片叠加，YBCO环状片之间放置镀有氮化铝薄膜的高纯铜环片，改善磁体的传热特性，形成较好的冷却效果阻止YBCO环状片失超，改善磁体运行的稳定性，从而产生所谓的YBCO-Bitter型线圈结构。本发明可以简化内插超导线圈的超导磁体系统的结构和运行的操作程序，实现稳定运行的磁场，并且能够减小系统运行的费用。
本发明为提高YBCO-Bitter型高温超导线圈的俘获磁场，将YBCO-Bitter型高温超导线圈运行在4K的低温环境之中，以提高内插超导线圈的运行电流密度和磁体抗磁热干扰的能力。
本发明内插YBCO-Bitter型高温超导线圈的超导磁体系统。其原理是：将YBCO高温超导块切成环片状结构。为了支撑每一个环状片在磁化后产生的电磁应力，在高温超导YBCO环状片外套上不锈钢环，YBCO环状片之间放置镀有氮化铝薄膜的高纯铜环片，使得YBCO环状片之间彼此绝缘，同时具有良好的传热特性。将YBCO环状片沿着同一轴向叠加在一起，通过不锈钢中心孔管和端部法兰将其组装在一起，通过环氧树脂浸泡并固化形成内插YBCO-Bitter型高温超导线圈，然后将其插入由NbTi和Nb₃Sn组成的外围超导线圈孔内，形成一种内插YBCO-Bitter型高温超导线圈的超导磁体系统。当温度冷却到磁体的运行温度时，首先给外围超导线圈通电，当中心磁场达到需要求时，内插YBCO-Bitter型超导线圈被磁化，去掉外磁场之后，会在内插YBCO-Bitter型高温超导线圈内形成较高的俘获磁场。当再次将外围超导线圈充电之后，由外磁场和内插YBCO-Bitter型高温超导线圈产生的俘获磁场叠加，形成超导磁体系统的总的磁场。高温超导材料YBCO的上临界磁场在绝对零度下为112T，在30T、4K条件下YBCO的临界电流密度为10⁵～10⁶A/cm²。因此，采用上述结构可以获得较高和稳定的磁场强度。
附图说明
图1是本发明的内插YBCO-Bitter型高温超导线圈结构示意图，图中：1 YBCO环状片，2镀有氮化铝薄膜的高纯铜环片，3不锈钢中心孔管，4端部法兰；
图2是本发明的YBCO环状片嵌套在不锈钢环内的结构示意图，图中：6不锈钢环；
图3是本发明内插YBCO-Bitter型高温超导线圈的超导磁体系统工作原理图，图中：8内插YBCO-Bitter型高温超导线圈，9低温容器，10外围超导线圈，11外围超导线圈的低温容器，12液氦，13外支撑结构；
图4是本发明具体实施例的结构示意图，图中：8内插YBCO-Bitter型高温超导线圈，15Nb₃Sn超导线圈，16NbTi超导线圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
本发明由内插YBCO-Bitter型高温超导线圈8、低温容器9、NbTi和Nb3Sn组成的外围超导线圈10、外围超导线圈的低温容器11和外支撑结构13组成。
如图1所示，将多片YBCO环状片1组合在一起。为解决超导环片之间的传热特性以及改善磁体的热稳定性，在YBCO环状片之间放置镀有氮化铝薄膜的高纯铜环片2。YBCO环状片1厚度为4mm，镀有氮化铝薄膜的高纯铜环片2厚度为1mm。YBCO环状片1和镀有氮化铝薄膜的高纯铜环片2沿同一轴向交替叠加组合在一起，通过不锈钢中心孔管3进行径向固定，在轴向的两端使用端部法兰4加固，整体通过环氧树脂浸泡并固化后形成内插YBCO-Bitter型高温超导线圈。图1中表示了内插YBCO-Bitter型高温超导线圈的主要部分。当YBCO环状片1被冷却到4K之后，其俘获磁场可以达到100T，临界电流密度达到10⁵A/cm²。
如图2所示，由于YBCO环状片1采用陶瓷材料制成的，其机械强度较低。在外界磁场的作用下，YBCO环状片1被磁化。由于电磁力的作用，YBCO环状片1在电磁力的作用下产生径向和轴向以及环向应力的作用，为了克服因较高的磁场产生的电磁力的作用，将YBCO环状片1嵌套在不锈钢环6内。
如图3所示，内插YBCO-Bitter型高温超导线圈8放置低温容器9内，通过低温容器9内的液氦12将磁体冷却到4K，保证YBCO环状片具有较高的俘获磁场和临界电流密度，从而保证YBCO环状片在高磁场中稳定运行。将内插YBCO-Bitter型高温超导线圈8插在NbTi和Nb₃Sn组成的外围超导线圈10的内孔中，外围超导线圈10放置在外围超导线圈的低温容器11中，外围超导线圈的低温容器11内充有液氦12。通过外围超导线圈的低温容器11保证磁体运行在1.8K的极低温度下。整个系统由外支持结构13支撑，从而产生20T的高磁场。
图4是基于本发明设计的25T高磁场超导磁体系统结构示意图。磁体系统由内插YBCO-Bitter型高温超导线圈8和Nb3Sn超导线圈15，以及NbTi超导线圈16组成。为了获得稳定的中心磁场，首先通过Nb3Sn超导线圈15和NbTi超导线圈16使磁体系统磁场升高到5T，再将外磁场去掉，会在内插YBCO-Bitter型高温超导线圈8内形成5T的俘获磁场。当再次通过Nb3Sn超导线圈15和NbTi超导线圈16使磁体系统产生20T的磁场，产生的20T的磁场和第一次在内插YBCO-Bitter型高温超导线圈8内俘获的5T的磁场叠加在一起，此时超导磁体系统产生25T的总磁场。