[发明专利]高温超导体磁体

说明书

一种高温超导体HTS磁体，包括由嵌套式同心绕组形成的线圈。每个绕组都包括HTS材料。HTS磁体还包括导体元件，该导体元件包括电接触表面，通过所述电接触表面向绕组中的至少一个的一部分供应电流。该表面大致围绕绕组中的至少一个的路径在导体元件与线圈的轴向边缘之间提供电接触。

技术领域

本发明涉及高温超导体(high temperature superconductor，HTS)磁体。具体地，本发明涉及到HTS磁体的电流的供应。

背景技术

超导材料通常分为“高温超导体(HTS)”和“低温超导体”(LTS)。LTS材料(诸如Nb和NbTi)是金属或金属合金，其超导性可以通过BCS理论进行描述。所有低温超导体都具有低于约30K的临界温度(在其上即使在零磁场中材料也不具有超导性的温度)。HTS材料的行为不通过BCS理论进行描述，并且这种材料可能具有高于约30K的临界温度(尽管应该注意的是，定义HTS材料的是超导操作和成分方面的物理差异，而不是临界温度)。最常用的HTS是“铜酸盐超导体”-基于铜酸盐(含有氧化铜基团的化合物)的陶瓷，诸如BSCCO或ReBCO(其中Re是稀土元素，通常为Y或Gd)。其他HTS材料包括铁的磷族元素化物(例如，FeAs和FeSe)和二硼化镁(MgB₂)。

ReBCO通常被制造成带，其结构如图1所示。这种带100通常大约为100微米厚，并且包括基底101(通常为被电抛光的“哈氏合金”，大约50微米厚)，在该基底上通过IBAD、磁控溅射或另一合适的技术沉积厚度大约为0.2微米的一系列缓冲层(称为缓冲叠层102)。外延ReBCO-HTS层103(通过MOCVD或其他合适的技术被沉积)覆盖15缓冲叠层，并且通常为1微米厚。1至2微米的银层104通过溅射或另一合适的技术沉积在HTS层上，并且铜稳定剂层105(或“包层”)通过电镀或另一合适的技术沉积在带上，其通常完全封装带。电流通常通过包层耦合到带100中。

基底101提供了可以通过制造线进送并允许后续层的生长的机械骨架。缓冲叠层102需要提供上面生长有HTS层的双轴纹理晶体模板，并防止元素从基底到HTS的化学扩散，这损害其超导特性。银层104需要提供从ReBCO到稳定剂层的低电阻界面，并且稳定剂层105在ReBCO的任何部分停止超导(进入“正常”状态)的情况下提供可选的电流路径。

HTS磁体可以通过将HTS带(诸如上述ReBCO带100)缠绕成线圈来形成。这种HTS磁体中的常见故障点是各个带或线缆从绕组封装脱离进入接头(即电连接)区域的地方。

图2示意性地示出了与包括HTS带100的线圈201的“常规”电接头。线圈201的外部绕组已经部分地背离绕组封装被部分拉动，以产生“悬空引线”202。电接头固定件203被应用于悬空引线202，以便向线圈201供应电流。

在悬空引线接头中，如图2所示，HTS带在电磁(EM)力和热收缩作用下容易发生周期性移动，从而所述悬空引线接头在正常操作期间劣化。通常，HTS带的这些“暴露”区段也处于另外的风险下，因为在临界电流劣化的情况下，没有与所述暴露区段共享电流的相邻的HTS匝(绕组)，这意味着这些区段不能受益于紧邻主绕组封装以便获得热量和/或电流耗散。

在磁体缠绕和组装过程期间，这些悬空引线区域也容易受到损坏，这是因为各个带是脆性的并且容易因操作不当而弯曲。而且，在悬空引线方案中，通常的情况是必须制造昂贵的精密加工零件，以在悬空引线背离绕组封装移动并移动到接头固定件时引导和支撑悬空引线。

超导磁体中可能出现的另一问题是失超。当超导线或线圈的一部分进入电阻状态时，发生失超。这可能由于温度或磁场的波动、或者超导体中的物理损坏或缺陷(例如，如果磁体用于聚变反应堆，则由于中子辐射)而发生。由于磁体中存在高电流，因此当甚至超导体的一小部分变成电阻时，所述超导体的一小部分会迅速升温。如上所提及那样，超导线设有一些铜稳定剂以便获得失超保护。在超导体变得正常的情况下，铜为电流提供了可选的路径。存在的铜越多，温度在失超导体的区域周围形成的热点中上升得越慢。