[发明专利]一种提高无绝缘高温超导双饼线圈横向电阻率的方法

说明书

本发明公开了属于超导磁体技术领域的一种提高无绝缘高温超导双饼线圈横向电阻率的方法。该方法是采用高温超导带材和提高横向电阻率的不锈钢带并联绕制，并且两者长度和宽度尺寸大小相同；其中不锈钢带经热处理和化学处理，在不锈钢表面形成高电阻率的阻挡层，在超导带与提高横向电阻率的不锈钢带之间，形成一层含有氧化铁和硫酸铁的高电阻率层，厚度相对不锈钢带厚度而言可忽略不计，不锈钢带经处理后横向电阻率增强，产生的交流损耗、屏蔽电流都会大大减小；同时当线圈失超时，不锈钢带电阻率增强后，大大降低了热点流过的电流强度，从而降低热点温升，减小失超对超导材料的破坏，提高无绝缘双饼线圈的稳定性。

技术领域

本发明属于超导磁体技术领域，特别涉及一种提高无绝缘高温超导双饼线圈横向电阻率的方法。

背景技术

高磁场对科学技术的发展具有极其重要的作用，它孕育着许多重大的科学发现和新技术的产生，因此超导磁体的研究已成为如今超导领域极为热门的一个方向。超导磁体是指使用高温超导导线来绕制成线圈以产生磁场的装置，主要包括有超导线圈、支撑结构、冷却结构和磁体的电流引线等。其中，超导带材绕制的线圈是最重要的部分。

对于高温超导磁体而言，由于采用双饼结构的形式绕制，饼与饼之间留有填充材料或导冷结构，因此高温超导磁体不能看做一个电流密度均匀分布的线圈，而是各自独立但又紧密相连的双饼线圈的组合；高温超导磁体内部温度场和电磁机械应力/应变场的微小变化将直接破坏磁场的均匀度，难以采用传统的低温超导磁体电磁结构设计方法和匀场方式产生较高均匀度的磁场。同时，高温超导带材的电磁特性具有很强的各向异性，其截面为独特的包带结构，其在受到垂直磁场作用时，会在高温超导带材中感应出屏蔽电流。屏蔽电流的产生导致传导电流在高温超导带材内部不均匀分布，严重地影响了高温超导磁体均匀区磁场的分布，恶化磁场的均匀性。由于磁通蠕动作用的影响，屏蔽电流会随时间的推移出现缓慢的变化，导致磁场出现漂移的现象，直接影响高温超导磁体磁场的稳定性。

同时对于传统的高温超导磁体，一般给高温超导带材绝缘，比如采用薄膜半叠包绝缘或采用绝缘套管来对带材进行绝缘或通过在绕制高温超导双饼线圈过程中并绕绝缘化处理的不锈钢带进行绝缘。经过绝缘化处理的高温超导双饼必须采用主动失超系统进行保护。由于在制备高温超导带材的过程中内部常会存在微裂纹、孔隙以及杂质等缺陷，这些缺陷会导致高温超导带材的临界电流在长度方向上存在非均匀性，从而导致高温超导带材局部性能的下降，带材电阻因此会迅速升高，失去超导特性，出现失超甚至烧毁。另外在线圈绕制过程中，可能发生弯曲形变和侧向弯曲、拉伸应力过大，也会导致带材局部临界电流退化，导致带材非均匀性。而这种经绝缘化绕制的双饼结构磁体在某点故障失超时，其导热性能差，传热慢。并且高温超导线圈匝数较多，电感较大，在失超时，产生的感应电压过大。

为解决以上的问题，在绕制高温超导双饼线圈过程中，由裸线直接绕制，少数采用并绕未经绝缘化处理的不锈钢绕制。尽管无绝缘的双饼线圈其匝间由铜、黄铜或不锈钢等金属组成，但与处于超导态的超导层相比它们的电阻率均高出好几个量级，因此在线圈稳定载流时，电流将在超导层中流动。一旦高温超导带材局部出现失超电压上升，本来流经超导层的电流可以通过选择电阻更小的匝间金属导体进行分流，避开处于非超导态的超导层，从而可以防止失超区的继续扩展。同时由于并绕未经绝缘化处理的不锈钢其金属导热性强，高温超导带材在实验过程中温升较低。所以本质上无绝缘绕制的磁体是自稳定的，无需主动保护系统。此外，无绝缘绕制技术还提高了内插线圈的工程电流密度和机械强度。然而，传统的无绝缘双饼线圈在绕制过程中使用的是不锈钢带与超导带并绕，这种绕制的线圈匝间横向电阻率很低，在励磁过程中无绝缘线圈会出现不稳定、不均匀的磁场。为此，本发明提出一种提高无绝缘高温超导双饼线圈横向电阻率的方法，由不锈钢带和高温超导带材并绕而成，不锈钢带经过热处理和化学处理，在不锈钢带表面形成高电阻率的薄膜层，减小屏蔽电流，从而减小励磁过程中产生的交流损耗，提高了无绝缘双饼线圈的稳定性。

发明内容