用于HTS励磁线圈的HTS链接部分绝缘

摘要

一种高温超导HTS励磁线圈。HTS励磁线圈包括：多个匝，包括HTS材料和金属稳定器；以及部分绝缘层，将多个匝分开，使得电流能够经由部分绝缘层在多个匝之间共享。部分绝缘层包括绝缘区域和穿过绝缘区域的多个导电路径，其中，电流能够经由多个导电路径在多个匝之间共享。每个导电路径包括HTS桥，该HTS桥包括HTS材料，其中，HTS桥与导电路径的正常导电材料串联。

说明书

技术领域

本发明涉及HTS励磁线圈。

背景技术

产生聚变能的挑战非常复杂。已经提出了许多除托卡马克之外的备选设备，但还没有一种设备能够产生与目前运行的最佳托卡马克(例如，JET)相媲美的任何结果。

世界聚变研究在ITER开始建设之后已经进入了新阶段，ITER是有史以来最大且最昂贵(约150亿欧元)的托卡马克。通往商业聚变反应堆的成功路线需要长脉冲、稳定运行以及使电力生产具有经济性所需的高效率。这三个条件特别难以同时实现，并且所计划的项目将需要对ITER和其他聚变设施进行多年的实验研究以及理论和技术研究。外界普遍预计，通过这条路线开发的商业聚变反应堆直到2050年才能建成。

为了获得经济发电(即，输出功率远大于输入功率)所需的聚变反应，传统的托卡马克必须是巨大的(如ITER所例示)，使得能量限制时间(其大致与等离子体体积成比例)可以足够大，从而等离子体可以足够热以发生热聚变。

WO 2013/030554描述了一种备选方法，涉及使用紧凑型球形托卡马克作为中子源或能量源。球形托卡马克中的低纵横比等离子体形状改善了粒子限制时间，并允许在小得多的机器中产生净发电。然而，小直径中心柱是必需的，这对等离子体限制磁体的设计提出了挑战。高温超导体(HTS)励磁线圈是用于此类磁体的有前途的技术。

HTS励磁线圈的另一个潜在用途是在质子束治疗设备中。质子束疗法(PBT，也被称为质子疗法)是一种用于治疗癌症(以及对放射疗法有反应的其他疾病)的粒子疗法。在PBT中，质子束指向治疗位置(例如，肿瘤)。

另一种类似的疗法是质子硼捕获疗法(PBCT)，其中，将硼11引入目标位置，并使用质子束引发p+

用于PBT和PBCT的质子束由诸如回旋加速器或线性加速器之类的粒子加速器生成。通常用于PBT和PBCT的加速器通常会产生能量在60MeV至250MeV范围内的质子，目前运行的最强大的设施具有400MeV的最大能量。

从广义上讲，针对PBT设备有两种类型的设计，它们允许改变光束角。在第一类型的设计中，如图1所示，加速器3001安装在台架3002上，这允许它围绕患者3003(通常围绕水平轴)旋转。患者被放置在可移动的床3004上，该床3004提供了更多的自由度(例如，平移运动和围绕竖直轴的旋转)。

第二类型的设计如图2所示。加速器4001是静止的，并且光束经由转向磁体4002(通常包括四极磁体和偶极磁体二者)指向患者，其中至少一些磁体位于台架4003上，使得光束可以围绕患者4004(例如，围绕水平轴)旋转。患者被放置在可移动的床4005上。

这两种设计都需要台架上装有能够以高达400MeV的光束能量控制质子的电磁体。这需要非常高的磁场，因此使用HTS励磁线圈可以大大减少电磁体的质量和大小以及移动它们所需的台架。HTS励磁线圈可以用于加速器、转向磁体的四极磁体或转向磁体的偶极磁体。

超导材料通常分为“高温超导体”(HTS)和“低温超导体”(LTS)。LTS材料(例如，Nb和NbTi)是可以通过BCS理论描述其超导性的金属或金属合金。所有低温超导体都具有低于约30K的临界温度(即使在零磁场下，在其以上也无法使材料超导的温度)。BCS理论未描述HTS材料的行为，并且这种材料可以具有高于约30K的临界温度(尽管应当注意，定义HTS和LTS材料的是成分和超导操作的物理差异，而不是临界温度)。最常用的HTS是“铜酸盐超导体”——基于铜酸盐(包含氧化铜基团的化合物)的陶瓷，例如，BSCCO或ReBCO(其中，Re是稀土元素，通常是Y或Gd)。其他HTS材料包括铁磷化物(例如，FeAs和FeSe)和二硼酸镁(MgB

ReBCO通常被制造为带材，其结构如图3所示。这种带材100通常约100微米厚，并且包括基底101(通常是约50微米厚的电抛光的哈氏合金)，一系列缓冲层通过IBAD、磁控溅射或其他合适的技术沉积在该基底101上，该一系列缓冲层被称为缓冲叠层102，其厚度约为0.2微米。外延ReBCO-HTS层103(通过MOCVD或其他合适的技术沉积)覆盖缓冲叠层，并且通常是1微米厚。1至2微米的银层104通过溅射或其他合适的技术沉积在HTS层上，并且铜稳定剂层105通过电镀或其他合适的技术沉积在带材上，铜稳定剂层105通常完全封装带材。

基底101提供了可以通过生产线输送并允许后续层的生长的机械主干。缓冲叠层102需要提供在其上生长HTS层的双轴织构晶体模板，并防止元素从基底向HTS的化学扩散，该化学扩散会破坏HTS的超导特性。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)的情况下提供备选电流路径。

另外，可以制造“剥离的”HTS带材，该“剥离的”HTS带材缺少基底和缓冲叠层，而替代地在HTS层的两侧具有银层。具有基底的带材将被称为“基底”HTS带材。

HTS带材可以布置在HTS电缆中。HTS电缆包括一个或多个HTS带材，经由导电材料(通常为铜)沿其长度连接这些带材。HTS带材可以被堆叠(即，布置为使得HTS层平行)，或者它们可以具有一些其他的带材布置，该带材布置可以沿着电缆的长度变化。HTS电缆的显著特例是单HTS带材和HTS对。HTS对包括被布置为使得HTS层平行的一对HTS带材。在使用基底带材的情况下，HTS对可以是0型(HTS层彼此面对)、1型(一个带材的HTS层面对另一个带材的基底)或2型(基底彼此面对)。包括多于2个带材的电缆可以将部分或全部带材布置为HTS对。堆叠的HTS带材可以包括HTS对的各种布置，最常见的是一堆1型对或一堆0型对(和/或，等效地，2型对)。HTS电缆可以包括基底带材和剥离带材的混合。

在本文档中描述线圈时，将使用以下术语：

“HTS电缆”——包括一个或多个HTS带材的电缆。在该定义中，单HTS带材是HTS电缆。

“匝”——线圈内的一段HTS电缆，其包围线圈的内部(即，其可以被建模为完整的回路)

“弧长”——线圈的连续长度，其小于整个励磁线圈

“内半径/外半径”——从线圈的中心到HTS电缆的内部/外部的距离

“内周长/外周长”——围绕线圈的内部/外部测量的距离

“厚度”——线圈的所有匝的径向深度，即，内半径和外半径之间的差

“临界电流”(I

“临界温度”——在给定的磁场和电流下，HTS将变得正常的温度

“峰值临界温度”——在没有外部磁场和可忽略电流的情况下，HTS将变得正常的温度。

从广义上讲，HTS励磁线圈有两种结构——通过缠绕，或通过组装若干段。如图4所示，通过将HTS电缆201以连续螺旋缠绕在成型器202上来制造缠绕线圈。成型器被成形为提供所需的线圈的内周长，并且可以是最终缠绕线圈的结构部分，或者可以在缠绕之后移除。如图5示意性所示，分段线圈由若干个段301组成，其每个段可以包含若干条电缆或预成型的母线311，并将形成整个线圈的弧长。这些段由接头302连接以形成完整的线圈。虽然为了清楚起见，图2和图3中的线圈匝被隔开示出，但通常存在连接线圈匝的材料——例如，它们可以通过用环氧树脂灌封来加固。

该线圈可以是“绝缘的”——在线圈匝之间具有电绝缘材料，或者是“非绝缘的”，其中，线圈匝是径向电连接的，以及沿着电缆(例如，通过焊接或通过直接接触来连接电缆的铜稳定层)。由于极高的加速时间，因此非绝缘线圈不适合于大型励磁线圈，并且在来自磁体的能量已经显著消散——导致所有磁能被转储到小体积之前，失超的趋势导致线圈的整个截面变得正常。

中间接地选项是“部分绝缘”线圈，其中，匝之间的材料的电阻介于传统导体(例如，金属)的电阻和传统绝缘体(例如，陶瓷或有机绝缘体，例如电阻率为铜的电阻率的100倍至10

在最简单的情况下，如图6A和图6B所示，部分绝缘结构可以是金属条601，在每一侧具有绝缘层602，每个绝缘层具有一个或多个窗口603，通过该窗口可以与第二绝缘层进行电接触。通过偏移金属条的每一侧的窗口、和/或改变它们的大小并沿着金属条隔开，可以通过改变电流在窗口之间所采用的路径610来控制(并且甚至沿着结构改变)部分绝缘结构的每单位长度的有效电阻。如果这种部分绝缘结构缠绕在线圈匝之间，并沿其长度与两匝的HTS电接触(例如，经由它们的金属稳定层)，则可以实现具有任何所需匝间电阻的部分绝缘线圈。

作为另一示例，如图7A至图7C所示，可以提供更复杂的结构。该结构包括绝缘主体701内的5个层——第一金属连接层711；导电层730；以及第二金属连接层712。第一金属连接层和第二金属连接层设置在绝缘主体的表面上，并且导电层设置在绝缘主体的内部并通过通孔702电连接到连接层。导电层被划分为若干个区域，包括通道703，该通道703在两个金属连接层之间提供穿过绝缘主体的导电路径。这增加了另一种控制该层的电阻的方法，因为每个“通道”的宽度和长度将影响电阻。这样做的一个优点是可以使窗口间隔更紧密(即，使部分绝缘层的电阻平滑化)，同时通过延长通道的长度和/或减小它们的宽度来补偿电阻的损失。

发明内容

根据第一方面，提供了一种高温超导HTS励磁线圈。HTS励磁线圈包括：多个匝，包括HTS材料和金属稳定器；以及部分绝缘层，将这些匝分开，使得电流可以经由部分绝缘层在匝之间共享。部分绝缘层包括绝缘区域和穿过绝缘区域的多个导电路径，其中，电流可以经由导电路径在匝之间共享。每个导电路径包括HTS桥，该HTS桥包括HTS材料，其中，HTS桥与导电路径的正常导电材料串联。

在权利要求2等中定义了其他实施例。

附图说明

图1示出了第一PBT设备；

图2示出了第二PBT设备；

图3示出了ReBCO带材的结构；

图4是缠绕线圈的示意图；

图5是分段线圈的示意图；

图6A和图6B示出了根据WO 2019/150123 A1的部分绝缘层；

图7A至图7C示出了根据WO 2019/150123 A1的备选部分绝缘层；

图8示出了部分绝缘TF线圈在失超期间的仿真结果；

图9是示例性部分绝缘层的侧截面图；

图10是另一示例性部分绝缘层的图示；

图11A、图11B、图11C、图11D和图11E示出了又一示例性部分绝缘层；

图12是一般示例性部分绝缘层的电路图。

具体实施方式

虽然背景中所描述的部分绝缘结构适用于大多数线圈，但已经发现，在线圈的一些部分以比其他部分更高的I/I

图8示出了单个部分绝缘D形TF线圈在失超期间的仿真结果。该图的上部示出了在一系列时间步长(从左到右，从线圈的一部分变得正常的时间开始)下线圈中的(局部)平均带电流，并且该图的下部示出了在相同时间步长下线圈中的温度。当励磁线圈的单匝的一部分变为正常(或接近正常)时，该匝中的电流将迅速降至零801——因为它变得更有利于电流沿着径向路径行进并绕过该匝(通过部分绝缘)而不是通过该匝的螺旋路径(通过HTS)。这具有两个影响——首先，由于来自径向路径的电阻加热，因此单匝和相邻匝的温度将开始上升802，并且其次，由于线圈的电感与磁场的变化相反，因此其余匝中的电流将增加803。在对称线圈中，温度升高将从单匝向外辐射，使相邻匝变得正常，然后这将增加径向路径中的电流，引起进一步加热，直到整个线圈变得正常。这个过程发生得很快，并将存储的能量基本均匀地消散在励磁线圈上。

然而，在非对称线圈中(即，I/I

解决这种问题的简单方法是设计线圈使得I/I

鉴于部分绝缘HTS线圈(并且具体地是如前所述的具有部分绝缘层的部分绝缘HTS线圈)的优点，需要找到一种在不显著增加HTS线圈厚度的情况下(与如背景中所述的具有部分绝缘层的等效线圈相比)解决不均匀失超问题的解决方案。

这可以通过在部分绝缘层内提供HTS元件来实现，使得HTS元件与穿过部分绝缘层的至少一部分导电路径串联。HTS元件充当径向路径的限流器——因此在线圈更快地变为正常的区域中，可以通过径向路径分流的电流受到限制(因为HTS元件也更快地变为正常，从而增加部分绝缘层的局部电阻)。这意味着在线圈的更慢地变为正常的区域中更多的电流将通过径向路径被分流，这将增加这些区域中的加热，从而使线圈周围的超导损失率均匀。这继而将降低位于高I/I

图9示出了示例性部分绝缘层900的侧截面图，其包括绝缘主体901(通常为长条形式，用于与HTS匝共同缠绕，如图所示向左和向右延伸)、金属连接层902和HTS桥903。HTS桥沿着绝缘主体间隔开(在该示例中是规则的，尽管它们在一些区域可能比其他区域更紧密地间隔开)，并提供金属连接层之间的电连接。如上所述，HTS桥将有效地充当限流器，因为当径向电流达到其临界电流时，它们的电阻将迅速增加。HTS桥的临界电流将取决于诸如HTS材料的特性和HTS材料的尺寸(特别是宽度)之类的内部因素，以及诸如局部温度、局部磁场和应变之类的外部因素。可以经由仿真来确定在包含部分绝缘层的线圈的运行期间所需的临界电流，这在该领域中是很常见的。

当每个HTS桥的径向电流超过HTS桥的临界电流时，HTS桥将变为正常，并具有高电阻。可能仍然存在一条中等电阻的路径(例如，经由HTS的任何包层或基底，经由通过绝缘主体提供的正常导电通道，或经由其他路线，例如，如果线圈是焊接灌封的，则通过焊料)，但整体效果将是：在HTS桥已变为正常的区域中部分绝缘层的电阻显著增加。这会将电流转移到部分绝缘层的具有较低电阻的其他部分(导致这些部分中的更多加热)。在接近但不超过临界电流的电流下，HTS桥的电阻将随着电流的增加而增加。因此，对于具有均匀构造的部分绝缘层的部分绝缘线圈，电流的重新分配将趋向于平衡，其中，HTS桥的径向电流和临界电流在线圈周围是相同的。发生这种情况是因为具有较高临界电流的区域将具有较低的电阻，这会导致更多电流流过这些区域，从而导致附加的加热，从而降低HTS桥的临界电流。

如果线圈的一部分变热(例如，由于线圈的该部分的螺旋路径中的高I/I

图10示出了将HTS桥合并到类似于图6A和图6B的设计中的示例性部分绝缘层。与图6B一样，部分绝缘层包括金属条1001，其在每一侧具有绝缘层1002，并且在绝缘层的每一侧具有多个窗口，这些窗口彼此偏移以提供穿过部分绝缘层的电流路径1010。在这种情况下，部分绝缘层还包括一侧窗口内的HTS桥1003和另一侧窗口内的连接元件1004，该连接元件1004将金属条连接到连接层1005。

图11A至图11E示出了将HTS桥合并到类似于图7A至图7C的设计中的示例性部分绝缘层。漏绝缘层包括5个层，其依次为：

第一金属连接层1111；

第一绝缘层1121；

导电层1130；

第二绝缘层1122；

第二金属连接层1112。

图11A至图11C分别示出了第一金属连接层1111、导电层1130和第二金属连接层1122的布局。图11D和图11E是沿着图11A至图11C中的线D和E的截面。

存在连接层以便于通过焊接连接到HTS电缆。在该示例和先前示例中，这些可以被省略，或者包括若干个较小的区域，这些区域允许通过部分绝缘层与电连接进行电接触。

导电层被划分为若干个导电区域。这些区域有两种类型。正方形区域1131(尽管它们实际上可以是任何形状)通过通孔1106仅连接到金属连接层之一。这些区域不会影响部分绝缘层的电特性，但是提供穿过相应绝缘层的热路径。通过改变这些区域的大小以及它们和金属连接层之间的连接数量，部分绝缘层的热特性可以独立于电特性而变化。

其他区域1132各自将第一绝缘层1121的窗口1101连接到第二绝缘层1122的窗口1102。区域1132中的每一个包括HTS桥1107，其与该区域的其余部分串联连接。当HTS超导时窗口之间的电阻可以通过改变区域1132的几何形状来控制——例如，其中，区域1132包含如图11B所示的细长的轨道1133，增加轨道的宽度将降低窗口之间的电阻，并且增加轨道的长度(例如，通过提供非线性轨道，或通过移动窗户)将增加窗口之间的电阻。HTS将停止超导的径向电流可以通过改变所使用的HTS材料(例如，不同的ReBCO配方或供应商通常将具有不同的临界电流)和/或改变HTS桥的尺寸(特别是宽度)来控制。–尽管临界电流还将取决于诸如温度和磁场之类的外部因素。如前所述，可以经由仿真来确定所需的HTS布置，这在HTS磁体设计中是很常见的。

第一绝缘层中的窗口1101由穿过第一连接层和第一绝缘层的钻孔形成，然后这些钻孔被镀上金属1103(或其他导电材料)以连接第一连接层和导电层。第二绝缘层中的窗口1102是通过钻出穿过所有层的通孔1102来形成，然后该通孔被镀上金属1104(或其他导电材料)。为了防止通过第二绝缘层的窗口1102与第一连接层形成连接，在通孔1102周围蚀刻第一连接层以将其电隔离，并且绝缘封盖1105放置在通孔1102的端部以确保不会由于焊接或与HTS电缆接触而发生桥接。

作为备选方案，窗口1102可以替代地从部分绝缘层的另一侧钻孔，使得它们穿过第二连接层、第二绝缘层和导电层，并且不穿过(或不完全穿过)第一绝缘层。作为另一备选方案，所有窗口可以由穿过所有层的通孔形成，其中对第二连接层的蚀刻和第二连接层上的绝缘封盖用于第一绝缘层的窗口1101。

与先前示例一样，跨越部分绝缘层的电连接1108中的一些可以不包括HTS桥(即，可以与图7B的通道703基本相同)，以便当HTS失超时进一步控制部分绝缘层的电阻的上限。

图12示出了一般部分绝缘层的电路图，上面的描述提供了该一般部分绝缘层的具体示例。HTS线圈1201由两组电阻连接。第一组是与电阻R

第二组电阻是电阻R

尽管以上已经呈现了部分绝缘层内的绝缘的各种示例(例如，图10中的绝缘层、图6B中的绝缘主体、或图11中的绝缘层)，但是应当理解，这些示例的统一构思是具有“绝缘区域”的部分绝缘层，通过该“绝缘区域”提供多个导电路径。这也将包括本文未详细描述的其他示例，例如，部分绝缘层内的真空或气体间隙，或部分绝缘层中稍后用环氧树脂填充的间隙(例如，当线圈被环氧树脂灌封时)。

部分绝缘层以允许电流在匝之间径向共享的方式合并到HTS励磁线圈中。例如，在缠绕的励磁线圈中，部分绝缘层可以与电缆共同缠绕，而在分段励磁线圈中，这些段可以由部分绝缘层和HTS电缆(或其他HTS载流组件)的交替层构成。部分绝缘层的外部电连接(例如，金属连接层，或导电路径的端部)可以经由焊料、通过简单接触或通过任何其他合适的方法连接到匝。

在分段线圈中，部分绝缘层可以或可以不在段之间的接头内继续——即，部分绝缘层可以一直延伸到段的端部(以与接头处的另一段的对应层匹配)，该接头可以包括防止电流绕过接头内的部分绝缘层的绝缘区域，或者该接头可以具有允许电流绕过接头内的部分绝缘层的导体。

HTS桥可以分布在整个励磁线圈中，或者可以仅用于在磁体正常运行期间具有高I/I

HTS桥可以由与励磁线圈类似的HTS材料制成，或者可以由具有降低的临界电流和/或较高的临界温度的HTS材料制成。提供具有降低的临界电流和/或较高的临界温度的HTS桥允许控制HTS桥的特性，具体地，在需要时它们将多快变为正常导通。临界电流的变化可以通过以下方式来实现：提供与用于磁体线圈的HTS材料相比具有减小的HTS截面(例如，减小的宽度)的HTS桥，提供由与磁体线圈相比在HTS材料的数量和/或分布方面具有条纹或其他变化的HTS材料制成的HTS桥，或提供由具有每单位体积固有较低临界电流的HTS材料制成的HTS桥。临界温度的变化可以通过以下方式来实现：提供由具有固有较高临界温度的HTS材料制成的HTS桥，或控制HTS桥中所使用的ReBCO HTS材料的氧化水平，因为ReBCO的氧化水平与临界温度直接相关。