[发明专利]一种高导冷低失超铌三锡超导线圈及其制作方法

说明书

本发明提供一种高导冷低失超铌三锡超导线圈及其制作方法。所述超导线圈包括骨架芯桶、第一端板、第二端板、绝缘层、铌三锡超导线圈和绑扎层。所述第一端板连同绑扎层能够起到对铌三锡超导线圈从端面和外表面多向导冷的目的，加大了对铌三锡超导线圈的接触面积，加快了对铌三锡超导线圈的制冷效率，提高了对铌三锡超导线圈的制冷能力。同时，第一端板能够起到防止第二端板连同铌三锡超导线圈沿轴向向两侧运动，对第二端板连同铌三锡超导线圈进行限位，当第二端板连同铌三锡超导线圈沿轴向向中间运动时，第一端板脱离第二端板，减少铌三锡超导线圈内部的摩擦生热。本发明减小了铌三锡超导线圈失超的几率，提高了铌三锡超导线圈的安全裕度。

技术领域

本发明属于超导磁体领域，具体涉及高导冷低失超铌三锡超导线圈及其制作方法。

背景技术

铌三锡超导材料是典型的低温超导材料，铌三锡超导材料的超导临界转变温度达到18K以上，临界磁场在液氦温区达到25T。同时，铌三锡超导材料的工程化程度较高，具有相对成熟的制备工艺。常用的制备工艺包括青铜法，内锡法和粉末套管法，各种方法在全世界范围内都有各自的生产厂家。因此，铌三锡超导材料具有广阔的应用前景和发展前途。

铌三锡超导材料的最为广泛的用途是制备成超导线用于绕制超导线圈，从而产生强磁场。包括“国际热核聚变实验堆(ITER)计划”是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，用于产生大规模核聚变反应,是由多个超导线圈组成。其中，铌三锡超导线圈是其中的重要组成部分。

由于铌三锡材料是一种金属间化合物，具有A15陶瓷相，不具备机械加工性能，所以铌三锡超导线圈一般是需要经过先绕制后反应的制备工艺，即先将铌锡材料加工成具有加工能力的前驱体线材，然后将线材绕制成最终形状的超导线圈，最后需要超导线圈进行长时间的高温热处理反应，反应生成最终的铌三锡超导相，从而制备成铌三锡超导线圈。在铌三锡超导线圈的制备过程中，在线圈绕制阶段需要在导线上施加一定的预紧力，来保证线圈的紧密排列，提高线圈的安匝比和减小线圈间的缝隙。超导线圈的热处理温度至少需要达到650℃，因此用来绕制铌锡导线的超导线圈的骨架，需要在长期的高温下具有较高的强度，用于抵抗超导线圈的变形。超导线圈的变形来自绕制过程中预紧力释放，不同材料间的热膨胀系数差异，以及多种材料自身的热变形等，因此，超导线圈的骨架一般选用无磁，并且具有较高机械强度的金属材料。其中，304不锈钢或者316L不锈钢材料是采用最多的用于铌三锡超导线圈制备的骨架材料。

铌三锡超导材料的超导性能与铌三锡超导材料工作的温度与铌三锡超导材料所处的背景磁场有密切关系，铌三锡超导材料的工作温度越低，温度裕度越高，铌三锡超导材料能够通过更大的电流以及产生更高的磁场，其安全系数也越高。因此，尽可能降低铌三锡超导材料的工作温度对于提高铌三锡超导线圈的性能有重要意义。对于铌三锡超导线圈，其运行工况是极低温和极高场的极端环境，即使较小范围的温度降低对于提高铌三锡超导线圈的性能都是不容忽视的。因此，需要尽量降低铌三锡超导线圈的工作温度。当对铌三锡超导线圈制冷时，尤其是传导冷铌三锡超导线圈，铌三锡超导线圈的骨架是重要的热量传导的媒介，而不锈钢材料具有相对较低的热传导系数，当铌三锡超导线圈通过骨架与制冷机的二级冷头连接时，不锈钢材料会使二者之间存在较大的温差，不能对铌三锡超导线圈进行充分的制冷。

对于高性能铌三锡超导线圈，比如综合物性测量系统(PPMS)的铌三锡超导线圈，对磁场的励磁速度有较高的要求，而较高的励磁速度会使铌三锡超导线圈发热，热量如果不能及时的传导出去，就会使铌三锡超导线圈的热量积累，当铌三锡超导线圈的温度升高到安全裕度以上时，可能会触发铌三锡超导线圈的失超，可能烧毁铌三锡超导线圈。因此，需要铌三锡超导线圈就有良好的导冷能力。