理论教育 常规超导磁体的制备方法介绍

常规超导磁体的制备方法介绍

时间:2023-06-23 理论教育 版权反馈
【摘要】:常规的超导磁体绕制方法一共有两种:一种称为“层状绕法”,另一种称为“双饼线圈”。层状绕法是最简单常见的磁体绕制方法,绝大多数的铜导线磁体均是采用这种方法绕制而成的。目前,合金类超导导线如Nb3Sn和NbTi导线均可生产的非常长,足够绕制一个超导磁体。但铜氧化物超导带材如Bi-2223和YBCO的单根带材长度一般在1km左右,是不够绕制大型磁体的。这样,焦耳热损耗就被带进超导磁体中。

常规超导磁体的制备方法介绍

常规的超导磁体绕制方法一共有两种:一种称为“层状绕法”,另一种称为“双饼线圈”。其中,双饼线圈绕法是在磁体级超导体出现以后,专门针对超导导线发明的一种磁体绕制方法。

层状绕法是最简单常见的磁体绕制方法,绝大多数的铜导线磁体均是采用这种方法绕制而成的。对于一些超导导线,这种绕法也同样适用。层状绕法的最大特点是,在按某一方向绕满一层之后,可以换向继续向外层绕,依次往复。只要导线足够长,一个磁体可以只用一根导线绕制而成,从而避免了导线之间的连接。这对于超导磁体来说非常有利,因为超导导线之间的超导连接是一个比较复杂的技术,要想实现完全超导的大电流无阻连接并不容易。如果整个磁体只用一根导线,则从根本上解决了这一问题。层状绕法要求导线要足够长。目前,合金类超导导线如Nb3Sn和NbTi导线均可生产的非常长,足够绕制一个超导磁体。但铜氧化物超导带材如Bi-2223和YBCO的单根带材长度一般在1km左右,是不够绕制大型磁体的。

层状绕法的另外一个限制是导线截面要具有较好的各向同性,例如方形或者圆形截面的导线。这是因为,层状绕法在绕满一层,需要换向绕另一层的时候,会有一个横向的形变,这个形变的方向与绕制弯曲的方向是垂直的,这就要求导线向两个垂直方向都能容忍一定的弯曲形变。因此,层状绕法主要适用于圆形或者方形截面,对于矩形截面的带材较难适用。

双饼线圈绕制磁体的方法适用于截面形状较扁的带材,双饼线圈在绕制时从中间开始,分别向两边绕。因为其每部分都像一个薄而宽的饼,并且一个完整的线圈由这样两个饼构成,因此这种绕制方法被称为双饼线圈。双饼线圈在绕制Bi-2223和YBCO带材时具有层状绕法所不具备的优势。(www.daowen.com)

第一,双饼线圈所需要的导线长度明显小于用单根导线按照层状绕法绕制整个磁体所需的导线长度。在实际应用中,50m长的导线即可绕制一个小型的双饼线圈,在大型磁体中,一个双饼线圈所需的导线长度往往也不超过1km。然而,使用层状绕法绕制一个线圈往往就需要10km甚至更长的导线。对于高温超导带材来说,长导线不仅制备成本高,而且难以获得。一般的Bi-2223或YB- CO单根带材长度在1km以内。因此,从导线长度的角度来说,双饼线圈较层状绕法有很大的优势。

第二,一个完整的磁体是由多个双饼线圈构成的,每个线圈本身是一个独立的模块。这种模块化的磁体制造方式大大地降低了整个磁体的绕制难度,同时也降低了绕制成本。这种绕制方法从根本上避免了工艺失误对整个磁体绕制的影响,因为每个双饼线圈是独立绕制的,一个失误即使再致命其影响也会被控制在一个线圈之内,而不会对整个磁体有影响。模块化带来的另外一个好处是,由于磁体内磁场分布不均,而带材的电磁性质并不完全一样,使用双饼线圈组装磁体时可以根据局部磁场的分布分配线圈位置,从而优化整个磁体的表现。

但是,双饼线圈在具有这些优势的同时,也不可避免地带来了一个劣势:导线间的连接。因为一个完整的磁体由多个线圈串联而成,所以,超导带材之间的连接必不可少。由于高温超导导线之间尚未有超导连接技术,因此一般带材间的连接都采用锡焊的方式。这样,焦耳热损耗就被带进超导磁体中。焦耳热损耗会带来两方面的问题:一是在磁体中引入了热源,二是会消耗能量,这两方面的问题都导致了最终的磁体无法脱离冷源和电流源而独立运行。

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