[发明专利]一种不锈钢骨架Nb3Sn超导磁体螺线管线圈

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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：

(1)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－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600~700℃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渍工艺处理，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。

发明内容

本发明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。本发明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。

本发明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。