一种高温超导磁通密度放大装置

本发明属于超导磁体应用，特别涉及一种利用超导片制成的双孔型高温超导磁通密度放大装置的原理、制造工艺以及应用。

背景技术：

1、强磁场的产生和应用研究对极端条件科学设施、生物医学工程、国防特种部队以及高精度的科学仪器都具有重要的意义。超导材料凭借其零电阻、抗磁性等独特的电磁性质在高磁场领域有着巨大的潜力。目前关于高温超导磁体的结构主要有双饼线圈，层绕线圈以及最新提出的环状结构、方形片、圆环片结构的超导环。通过机械加工的方式，使高温超导片带材在没有焊接电阻的情况下可以实现闭环运行。

2、超导磁体相较于常规磁体有许多优点，它可以在较低能量的损耗下产生较强的磁场，同时重量也比较轻。但是高温超导磁体尺寸受到制造方法的限制，目前高温超导块材的直径可达65mm，商用高温超导涂层导体的最大宽度为46mm，生产大于50mm的高温超导永磁体在技术上具有挑战性。因此如何在尺寸的约束下最大程度的发挥高温超导材料的优越性能，产生较高磁场以供强磁场领域研究使用是目前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种超导闭合回路的双孔型高温超导磁通密度放大装置。该装置无需外接电源，仅需提供能使带材维持在超导态的低温条件，就可以放大磁通密度，在小尺寸的超导片上产生较高的磁场。本发明为超导磁体提供强磁场提供了新的方法。本发明由全超导回路构成，低温下无电阻，结构简单，可以稳定的输出强磁场，拓展了超导体在强磁场的应用领域，可以广泛应用于高磁场应用场合。

2、为实现上述功能，本发明的技术方案如下：

3、一种超导闭合回路的双孔型高温超导磁通密度放大装置，通过对高温超导片先进行外形设计，可以根据具体使用背景选择合适的外形，例如方形，圆形或者“8”字形等形状，然后在切割完后的带材上选择适中的位置切割出两个圆孔，使得电流可以在圆孔外围持续流动，从而构成双孔型高温超导磁通密度放大装置。

4、进一步，所述超导片切割有位置相离的两个圆孔，其中两个圆孔中间通过窄缝连通。

5、进一步，所述超导片可为涂层导体。

6、进一步，位置相离的两个圆孔半径不等，根据所需的磁通密度合理设计放大倍数，确定两个圆孔的半径。

7、本发明基于超导闭合回路的磁通守恒原理，实现了放大空间中磁通密度的功能，可以稳定的输出强磁场。其具体原理为：在超导态下，当超导闭合回路中的磁通量变化时，即施加或移除磁场时，超导闭合回路为了维持磁通守恒，保证回路中的总磁通量不变，将会产生一个相反的磁场以抵消这种变化。又因为磁场是由电流产生的，当闭合回路中感应出相反的磁场时，也会产生相应的感应电流。而本发明中的双孔型闭合超导回路的设计会使得两个圆孔外围流有相同大小的电流，从而在另一个圆孔中也会感应出磁通量，并根据两个圆孔的电感大小进行分配大孔捕获的总磁通量。

8、假设较大的圆孔称为圆孔1，面积设为s1，较小的称为圆孔2，在圆孔1中通过场冷方式励磁，施加背景磁场b0，圆孔1中会出现s1b0的磁通，移去背景磁场后，整个回路会俘获磁通ks1b0(k是磁通俘获率)。然后按照两个圆孔的电感重新分配这个磁通。根据毕奥萨伐尔定律，两个圆孔的电流相同的条件下，小圆孔中的磁通密度会比大圆孔中更大，从而实现放大磁通密度的功能。通过改变两个圆孔的半径之比，就可以调节两个圆孔中感应的磁通密度的比例，从而输出所需的强磁场。

9、本发明的有益效果在于：

10、本发明由超导片制成，在低温下可以实现无阻运行，即运行时不存在能量损耗问题；

11、本发明无需外接电源，仅需提供低温环境，操作简单，运行稳定可靠；

12、本发明无需焊接，制备工艺简单，从而也不存在因为焊接电阻而产生的电流不能持续运行的问题；

13、本发明利用超导闭合回路的磁通守恒原理和场冷励磁的技术，实现了放大磁通密度的功能；

14、本发明可通过调节两个圆孔的尺寸大小，实现不同倍数的磁通密度放大效果；

15、本发明可以实现利用超导材料稳定输出强磁场的功能，拓展了超导体应用于强磁场的范围，能够广泛应用于中大型超导磁体、热核聚变反应。

技术特征：

1.一种超导闭合回路的双孔型磁通密度放大装置，其特征在于：先对单根超导片切割成所需的外形，再在此超导片上切割出位置相离的两个圆孔，两个圆孔通过细窄缝相连。

2.根据权利要求1所述的一种超导闭合回路的双孔型磁通密度放大装置，其特征在于：该装置使用超导片制作，并成型为超导闭合回路，无需外接电源和电流引线，且制作过程中无需焊接，只需运行在超导片所需的临界温度以下。

3.根据权利要求1所述的一种超导闭合回路的双孔型磁通密度放大装置，其特征在于：该装置的外形可以根据适用背景选择方形，圆形或者“8”字形等其他形状，但要保证电流可以在圆孔外围持续流动。

4.根据权利要求1所述的一种超导闭合回路的双孔型磁通密度放大装置，其特征在于：超导片上切割出的位置相离的两个圆孔半径应该不相同，以实现磁通密度放大的目的。根据圆孔的大小比例决定磁通密度放大的倍数。

5.根据权利要求1所述的一种超导闭合回路的双孔型磁通密度放大装置，其特征在于：超导片上切割出的位置相离的两个圆孔之间通过窄缝连通，并不是全封闭的两个圆孔。

6.根据权利要求1所述的一种超导闭合回路的双孔型磁通密度放大装置，其特征在于：该装置在使用时应选择在大圆孔中采用场冷方式进行励磁，利用磁通守恒原理，在两个圆孔中即可感应出磁场。

7.根据权利要求1所述的一种超导闭合回路的双孔型磁通密度放大装置，其特征在于：该装置利用毕奥萨伐尔定律，实现在半径较小的圆孔中输出比大圆孔中更大的磁通密度，且放大倍数与两个圆孔半径有关。

8.根据权利要求1所述的一种超导闭合回路的双孔型磁通密度放大装置，其特征在于：该装置可以在完全平行的方向进行堆叠，以实现更大的磁通密度输出。

技术总结本发明公开了属于超导磁体应用技术领域的一种高温超导磁通密度放大装置。该装置通过对第二代高温超导片进行切割，形成具有双孔结构的超导片。本发明利用场冷励磁技术，基于磁通守恒原理，制成了具有放大空间中磁通密度功能的装置，其放大倍数与两圆孔的面积之比有关。该高温超导磁通密度放大装置的具体实施方法是采用场冷的励磁技术，在大尺寸的圆孔中励磁，可以在小尺寸的超导孔中产生较强的磁通密度。本发明的制作无需焊接、无需电源和电流引线，具有制备工艺简单、运行稳定性高的优点，能稳定输出强磁场，拓展了高温超导体应用于强磁场的范围，在中大型高场超导磁体、核磁共振等需要强磁场的设备中具有重要应用。技术研发人员：孟紫晴,王银顺,时雁晨,程俊华受保护的技术使用者：华北电力大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10