[发明专利]一种陶瓷骨架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，特别涉及一种适用于低温液体介质浸泡冷却方式的陶瓷骨架超导磁体螺线管线圈。

背景技术

超导磁体具有能耗低、体积小、重量轻等优点，可以在大空间内产生强磁场而几乎不消耗电能，从而为大量高新技术研究，如受控热核反应、生物医学、空间科学、高能物理、材料加工、磁流体发电等创造无可替代的研究平台。

超导磁体系统主要由超导磁体线圈、制冷及低温器件、电气测量与控制等三大部分组成。其中，超导磁体线圈是超导磁体系统的核心部件，强磁场的产生就是超导磁体线圈在低温处于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的。超导磁体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、固定其他电气元件的作用。超导磁体骨架材料的选取条件是：需要具备较高的强韧性，能够经受冷热循环冲击，低温导热性能好，无铁磁性。

目前，超导线圈骨架主要由铜合金、铝合金等金属材料制备成，其优点在于材料强度高、加工性能良好。但是由于金属合金本身具有导电性，使得超导线圈和骨架之间必须通过绝缘处理来杜绝超导线与骨架之间发生电气短路。绝缘处理可以采用骨架涂覆绝缘涂层或垫绝缘片层来完成。但是在超导磁体线圈的实际绕制过程中，尤其是在超导线进出线圈骨架的部位，经常会出现绝缘破坏的问题，导致磁体线圈整体失效的严重后果。此外，金属合金作为超导线圈骨架材料还必须具有完全无磁性，否则会对磁体的设计磁场分布造成意外的干扰。但是往往在骨架材料中会意外具有磁性，破坏磁场。比如一些黄铜合金本身不具备磁性，但是通过局部焊接处理后，材料内部发生相变，转变为具有微弱磁性，对磁体的制造造成负面影响。尤其在Nb₃Sn低温超导线圈制备技术中，骨架材料的选取标准更加复杂苛刻。由于Nb₃Sn超导线自身特殊的工艺特点，需要在超导线圈绕制完毕后，将线圈连同骨架一起进行扩散热处理使线圈具备超导性能。热处理温度高达600~700℃，热处理时间长达7~20天甚至更长。面对如此苛刻的热处理条件，已不能采用铝合金、铜合金、以及玻璃钢等熔点或软化温度较低的材料作为Nb₃Sn超导线圈骨架，只能采用诸如不锈钢材料这样的耐高温的结构材料。但是不锈钢材料作为骨架材料的缺点在于其导热性能较差，磁体内部局部温升不能很快通过骨架传播出去，增大了磁体失超可能性。

综上所述，在超导磁体建造工艺中，金属合金材质的超导线圈骨架及其超导磁体线圈结构具有一定的缺点。在对绝缘参数要求高的条件下，需要开发一种新型的超导磁体线圈结构，以及线圈骨架材料。

发明内容

本发明的目的在于解决现有超导磁体线圈结构中金属材料骨架在绝缘性能和磁性存在的潜在问题，提出一种基于陶瓷材料骨架形式的新型超导磁体螺线管线圈，以满足超导磁体对骨架绝缘性能和磁性的要求。

本发明的技术方案如下：

一种陶瓷骨架超导磁体螺线管线圈，其线圈骨架材料为陶瓷。超导线逐匝、逐层地紧密绕制在线圈骨架上，绕成超导磁体线圈。在超导磁体线圈外部为绑扎层，在线圈骨架与绑扎层之间的超导磁体线圈间隙内充满固化填充材料。

其中，线圈骨架由直管状芯筒和位于芯筒两端的端板构成。

其中，在线圈骨架的端板上设置有斜向的出线孔，所述的出线孔在端板内侧的位置对应于超导线圈中的超导线出线所处的位置，且出线孔的方向与超导线圈中的超导线出线的绕制切线方向一致，所述的超导线通过所述的出线孔穿过骨架端板，引向线圈骨架外部。上述结构保证了超导线出线过程中不会发生超导线的扭折损伤和磨损，保障了超导线的正常使用性能。

其中，在线圈骨架的端板上设置有定位盲孔。超导磁体线圈在低温容器的装配过程，以及与其他线圈嵌套装配过程中，都需要准确定位线圈的空间位置。通过设置在超导磁体线圈端板的所述的定位盲孔可以实现线圈的准确空间定位。