专利名称：线在沟道内超导体的制作方法
线在沟道内超导体
本发明涉及一种在诸如通常见于磁共振成像机、粒子加速器等中的超导磁 体中所使用的类型的线在沟道内型超导导体以及这种线在沟道内型超导导体的 生产方法。
在线在沟道内超导导体(wire-in-channel superconductive donductor)中，超
导线被焊入具有相应尺寸的通常导电的沟道中。
图1是常规的线在沟道内超导 体10的示意图。超导线12典型地在通常导电的基体材料(matrix material) 16 (例如铜)中包括超导材料(例如NbTi)的多个丝14。这种超导线12被焊接 18到导电沟道20中的相应凹槽内。沟道20典型地是铜，并且典型地具有近似 矩形的截面。沟道20夕卜表面可以例如利用适当的焊料被涂锡。
这种线在沟道内超导导体己被认为在获得长的连续长度以及提供适用于持 久磁体的超导导体方面是有效的。这种类型的线在沟道内超导导体典型地通过 聚酯编织物24绝缘。
已知的铜沟道线在沟道内超导导体10被设计用于为了稳定性而提供高的 铜-超导体比，而无需对具有超导体的全部铜进行处理。因此，相比于需要处理 具有超导体的全部铜的生产方法，生产成本显著被降低。
由于在许多应用中大量材料被用于导电沟道，期望陶氐沟道20的重量并且 也使其更柔韧而便于磁体制造。铝是常用的铜的极好的替代材料，成本更低， 柔韧性更好并且重量更轻；但是，采用铝作为铜的直接替代品存在许多制造困 难，例如焊料结合的质量、焊接温度和助熔剂的兼容性以及所制成的线在沟道 内导体的柔韧性。因此，铝还没有被用作通常用于在图l中所示的沟道20的铜 材料的直接替代品。
日本专利申请JP04071112A描述了一种布置，其中形成铝沟道20，并且至 少凹槽22的内部通过诸如电镀、浸渍或气相沉积的工艺来以铜涂覆。然后超导 线被焊接18到凹槽22内的铜涂层上，然后所得的复合材料遭受拉拔(drawing) 工艺。
本发明提供可替代的并改进的方法，用来生产铜包铝导电沟道以及利用该 沟道在铜包铝沟道导体中的超导线。
本发明还提供线在沟道内超导导体，其中导电沟道由具有至少一层金属包 层的导电金属或合金芯制成，其中所述至少一层金属包层包括高强度合金层以 及外部铜层。
相应地，本发明提供如在所附权利要求中所陈述的沟道导体和沟道导体的
制造方法。
fflil结合附图考虑本发明特定实施例的以下描述，本发明的上述以及其他
目的、特征以及优点将变得更清楚，其中
图1示出现有技术的线在沟道内超导导体的截面亂 图2A示出在本发明方法中有用的铜包铝线的截面图2B示出根据本发明一方面由图2A的铜包铝线形成的铜包铝沟道导体的 截面图3示出本发明的线在沟道内超导导体的截面图。
根据本发明，在生产铜包铝(copper clad aluminium)沟道中的超导线中所 采用的铜包铝导电沟道由如在图2A中所示的涂覆有冶金结，层32的铝线30 制成。
胜于形成铝沟道部分，所述铝沟道部分然后M31诸如电镀、浸渍或气相沉 积的工艺至少部分地用铜涂覆，本发明提供一种节省成本的且有效的方法，用 于利用如在图2A的截面图中所示的商业上可获得的铜包铝线来生产适用于产 生复合线在沟道内超导导体的铜包铝沟道部分。在圆形截面的情况下按截面面 积具有10%或15%铜的铜包铝线在商业上可获得。
商业上可获得的电工级(electrical grade)铜包铝线的成本在每单位长度的 价格方面低于固体铜。因为铝的重量更轻而在重量方面更轻。10%铜包铝线的 长度是包括相同重量铜的對以线的2.8倍。
ilil采用这种复合线来替代固体铜(例如在常规线在沟道内超导体中用于 沟道20的固体铜)，斷氐了制造成本，降低了最终导体的重量并且生产工艺不 需改变。
M采用这种复合线，可以采用一禾中与如通过现有技术所描述的将铜涂层 沉积至侄少部分铝沟道表面上相比更简单的制造方法。
ffl3W在图2A中所示的铜包铝线应用常规的线拉拔和成形技术，可以形
成铜包铝沟道40，如在图2B的截面图中所示。
在根据本发明的一方面的制造工艺的例子中，商业上可获得的并且可由已 知的工业制造工艺制造的圆 面铜包铝线利用线拉拔和成形技术通常在自身 中被处理成凹槽沟道，在轮廓上接近矩形(图2B)。为了说明，将假设该矩形 在截面中为1.27mmX3.175mm并包含0.813mm宽的凹槽42。该沟道不必是矩 形或接近矩形，但是应包含凹槽42。
所述的铜包铝线比固体铜线更柔软，这推知在形成沟道时生产速度更高并 且冲模磨损更少，与采用固体铜线来形成沟道20的相应方法相比较，这两方面 都斷氐了形成沟道40的成本。
凹槽沟道40和0.813mm直径的超导线12然后一起Mii金属i^(七浴(solder bath),其中超导线12被压入铜包铝沟道40中的凹槽42内。这样所形成的复合 超导导体然后可以M:金属熔化浴内的冲模(die)来将超导线12压入凹槽42 内。冲模也可用于将导体拉皿最终的截面，并且在皿程中可以使沟道40变 形以更牢固地保離导线12，如图3中所示。
铜包沟道的比热容低于常规的固体铜沟道的比热容，这导致在焊接工艺中 更高的速度。在设定生产线速度中的控制参数是沟道能被加热至焊接温度的速 率，并且由于与常规的铜沟道相比，加热铜包铝沟道至焊接'温度需要更少的能 量，所以与采用固体铜沟道的對以方法相比，生产线鹏能适当地被提高。
在从金属糊七浴退出时可使所得的结构淬火或者允许自然冷却用以使焊料 固化并将结构结合在一起。图3是根据本发明的方法所制造的具有焊接18在适 当位置处的超导线12的完成的铜包铝沟道的截面图。然后将该导体缠绕好准备 用于任何所需的后续处理。
根据本发明形成具有焊接(solder) 18至嗍32包铝30沟道的凹槽42内的 超导线12的复合超导导体的方法不需要诸如如由现有技术所需要的电镀、浸渍 或气相沉积的步骤，从而得出简化的并且成本低廉的制造方法，又使最终产品 的可靠性更大并且成本斷氐。
虽然铜包铝线在商业上可获得，并且铜包铝线的形成不构成本发明的部分， 但应当注意到用于形成复合铜包铝线的几种方法可用。所述方法中的一些列举 如下并且选择再次取决于应用。如果需要，可以就地为使用而根据本发明通过 以下任一工艺生产铜包铝线。
'热结合工艺~~在铝芯上结合相对厚的铜层。
-电镀~~在铝上铜的电镀通常被限制为多达几 的薄铜层。
*共同挤压
*共同拉拔
根据本发明所采用的用于将铜包铝线转化为铜包沟道40轮廓的方法与由 现有技术所建议的铝沟道的铜涂覆相比更简单并且工业上更可接受。
可以由任何适当的铝合金或其他适当的合金替代用于形成沟道的铝30。选 择应取决于应用。在一种情况下，电导率可能决定选择，而在其他瞎况下机械 强度可能是占优势的标准。尽管已经描述了商业上可获得的铜包铝线，但是本 发明不局限于这种单一配置。M合并多层结构，可得到加固的沟道导体。例 如，可以4顿包括装入具有外部铜层的高强度合金层(例如钢)内的铝或其他 导电合金芯的线。这种线可以在商业上生产出具有适宜的截面、典型地是圆形， 并通iii:述方法形成所需的沟道轮廓。高强度合金的存在将增加最终的线在沟 道内导体的机械强度，而不明显损害其电或热特性，并且无需在线在沟道内导 体的制造方法中引入其他步骤。这种替代实施例的最终装配可以在现在用于常 规铜沟道的相同生产线Jiiafi1。
对于在用来形成沟道的线内4顿高强度合金层可替代地或附加地，在形成 复合线在沟道内导体时，与超导线12和沟道40 —起可能包含伸长的高强度部 件(例如线或带)用以在在机械方面强化复合导体。在焊接操作之前、期间或 之后，该高强度部件可以以线性或螺旋形方式被合并。
在将超导线焊接到铜包铝轮廓来形成复合导体的步骤可以使用包括但不限 于Pb、 Cu、 Sb、 Sn和Zn的合金的任何适当的软焊料皿行。可采用的一种特 定焊料按重影十算含有Sn-5%Sb。
在铜包铝线中所用的铝应 地为高纯度铝、电工级铝或高强度铝。 在铜包铝线中所用的铜应 地为高导电率铜，例如IIOO (OFHC)级铜。 在铜包铝线中所用的铜可以是用于改进的强度的合金铜。 可以认为有益的是，在沟道的外部铜层32的至少部分、尤其是凹槽42中 或附近的表面上应用涂锡层，其中所述表面将接收并被焊接到超导线。己知这 种涂锡层有助于焊接。涂锡层可能具有锡或任何适当的焊料。 一旦沟道40和超 导线12已被焊接18在一起，所得至啲线在沟道内超导体的齡外表面将更像
被涂锡。
在本发明的其他实施例中，在将超导线焊接结合到沟道轮廓之前、期间或 之后，具有高比热容的材料的伸长部件可合并到复合导体中，以提高热稳定性。 这种材料可舰挤压、电镀或共同拉拔等被处理用以接受焊料。
权利要求
1、一种用于制造铜包铝沟道超导导体的方法，所述方法包括从包括具有至少一层外部金属包层(32)的金属或合金芯(30)的导电线来制造金属沟道(40)，并且在其表面中具有纵向延伸的凹槽(42)；并且并且将包括在所定义的温度范围内展示超导特性的材料(14)的线(12)焊接(18)到所述凹槽中。
2、 如权利要求l所述的方法，其中所述导电金属或合金芯包括铝。
3、 如权利要求1或2所述的方法，其中所述至少一层包层包括铜层。
4、 如权利要求3所述的方法，其中所述至少一层包层包括 高^Jt合金层；以及外部铜层。
5、 如前述任一权利要求所述的方法，其中在形成沟道导体时，与线(12) 和沟道(40) —起包括另一伸长的部件用以在机械方面强化沟道导体。
6、 如权利要求5所述的方法，其中在焊接操作之前、期间或之后，该另一伸长的部件以线性或螺旋形方式被合并。
7、 如权利要求1-6中任一权利要求所述的方法，其中所述线(12)包含在通常导体的基体材料(16)中在所定义的温度范围内展示超导特性的材料的多 个丝(14)。
8、 如权利要求7所述的方法，其中所述基体材料(16)包括铜。
9、 如权利要求1-8中任一权利要求所述的方法，进一步包括步骤在将线 焊接到凹槽中之前至少在凹槽(42)中或附近至少部分iTO金属沟道(40)的 外部铜层涂锡。
10、 如禾又利要求1-9中任一禾又利要求所述的方法，其中在将线(12)焊接 结合到沟道(40)中之前、期间或之后，另一伸长的部件被合并到沟道导体中 用以提高热稳定性。
11、 权利要求10的方法，其中该另一伸长的部件被处理用以接受焊料。
12、 一种沟道导体，包括在其表面中具有纵向延伸的凹槽(42)的金属沟道(40)，以及 被焊接(18)到所述凹槽中的线(12);其中，所戯包括在所定义的^^范围内展就导特性的材料04);以及所述金属沟道由具有所施加的金属包层的导电金属或合金芯(30)制成，其中所述金属包层包括 高强度合金层；以及外部铜层。
13、 如权禾腰求12所述的沟道导体，其中所述导电金属或合金芯包括铝。
14、 如权利要求12或13的任一权利要求所述的沟道导体，其中所職(12) 包括在通常导电的基##料(16)中在所定义的温度范围内展示超导特性的材 料的多个丝(14)。
15、 如权禾腰求14所述的沟道导体，其中所述基体材料(16)包括铜。
16、 如权利要求12-15中任一权利要求所述的沟道导体，其中金属沟道(40) 的外部铜层至少在凹槽(42)中或附近至少部分地被涂锡。
17、 一种沟道导体，包括在其表面中具有纵向延伸的凹槽(42)的金属沟道(40)，以及被焊接(18)到所述凹槽中的线(12);其中，所,包括在所定义的温度范围内展示超导特性的材料(14);以及所述金属沟道由具有所施加的金属包层的导电金属或合金芯(30)制成， 其中所述金属包层包括外部铜层；并且其中与线(12)和沟道(40) —起包括另一伸长的部件、例如线或带，用以在 机械方面强化沟道导体。
18、 如权利要求12-17中任一权利要求所述的沟道导体，其中另一伸长的 部件被合并至购道导体中用以提高热稳定性。
全文摘要
本发明涉及一种用于制造铜包铝沟道超导导体的方法，所述方法包括从包括具有至少一层外部金属包层(32)的金属或合金芯(30)的导电线来制造金属沟道(40)，并且在其表面中具有纵向延伸的凹槽(42)；并且将线(12)焊接(18)到所述凹槽中，所述线包括在所定义的温度范围内展示超导特性的材料(14)。
文档编号H01L39/24GK101356660SQ200780001341
公开日2009年1月28日 申请日期2007年7月11日 优先权日2006年7月14日
发明者A·M·托马斯, S·洪 申请人:西门子磁体技术有限公司;牛津超导体技术公司