混合圆形超导线的制作方法

混合圆形超导线
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2020年2月24日提交的第62/980,762号美国临时专利申请的优先权，该美国临时专利申请的内容通过引用以其整体并入本文中。
3.政府赞助
4.本发明是在美国能源部-小型企业创新研究(sbir)授予的de-sc0018850下在政府支持下完成的。政府对本发明享有一定的权利。
技术领域
5.本文所公开的实施方式属于超导领域。更具体地，本文中公开的实施方式涉及圆形超导线及其制造方法，其中，当制造成小直径时，实现了在高磁场应用中具有改进的工程电流密度(je)的圆形超导线，并且其可以用作失超检测的机构。


背景技术：

6.用于加速器磁体的有前途的高温超导(hts)候选物是re-ba-cu-o(rebco、re＝稀土)带，其通过卷对卷(reel-to-reel)薄膜工艺制造。与nb-ti、nb3sn和bi-2212线相比，rebco带的两个挑战与它们的总体平坦而不是圆形截面几何形状和宽(～12mm)轮廓而不是多芯结构有关。为了解决这些问题，全球范围内已经努力进行了用于加速器应用的高电流多股rebco电缆配置，所述加速器应用例如矩形结构中的roebel电缆、绞合堆叠层的带电缆和圆形芯上导体电缆/线。另一方面，当直径小于2mm时，当前圆形re-ba-cu-o(rebco、re＝稀土)超导线的工程电流密度(je)水平在20t时受到限制，约400a/mm2。当缠绕到这样小的直径时，高性能rebco带的退化问题限制了圆形线的je水平。
7.因此，当缠绕到小于2mm的直径时，需要在20t时将圆形rebco线的je增加到大约1000a/mm2的相当高的水平。
8.此外，由rebco带制成的超导对称带圆形(star)线在它们的je上受到铜线成形器(former)的限制，该铜线成形器占据star线截面的约20％至30％。由于可以在其上缠绕rebco带的成形器的直径有一个下限以避免性能下降，因此小直径star线可以仅由限制它们的je的几个rebco带组成。
9.hts线和带的另一个问题是它们的缓慢失超传播速度，这使得失超检测非常困难。必须早期检测失超以避免hts磁体的灾难性故障。在磁体中使用的线的整个长度上检测失超将是非常理想的。
10.因此，希望提供一种能够克服上述缺点的混合圆形超导线及其制造方法和检测其失超的方法。
11.本发明的这些和其它优点将从下文对本发明的详细描述中变得更加清楚。


技术实现要素：

12.实施方式涉及一种圆形超导线，包括超导线成形器和缠绕在超导线成形器上的至
少一个超导带。每个超导带包括：衬底；缓冲膜堆叠层，覆盖在衬底上；以及超导膜，覆盖在缓冲膜堆叠层上。
13.实施方式还涉及一种用于制造圆形超导线的方法。该方法包括：提供一种超导线成形器；将超导带缠绕在超导线成形器周围。超导带包括：衬底；缓冲膜堆叠层，覆盖在衬底上；以及超导膜，覆盖在缓冲膜堆叠层上。
14.实施方式还涉及一种用于检测圆形超导线失超的方法。该方法包括：采用线圈配置的圆形超导线，其中，圆形超导线包括超导带和其上缠绕有超导带的超导线成形器；以及监测超导带与超导线成形器之间的电流分布或电压分布。
附图说明
15.当结合附图阅读时，将更好地理解前面的概述以及下面的详细描述。仅出于说明的目的，在附图中示出了某些实施方式。然而，应当理解，本文公开的发明概念不限于附图中所示的精确布置和手段。
16.图1a是示出薄的对称rebco带(或包含rebco的带)的示意性剖视图，其中rebco膜定位在几何中心附近，靠近中性平面。由于使用薄的(22μm)哈斯特洛伊合金(hastelloy)衬底，即使使用20+μm厚的铜稳定器，总的带厚度也很小。薄对称rebco带是用于制造圆形超导线的多个薄对称rebco带中的一个。
17.图1b是示出用于制造圆形超导线的多个薄对称rebco带中的另一个的示意性剖视图。
18.图2a是示出包括1mm直径的铜成形器和六个对称的rebco带的对称带圆形(star)线的剖视图。
19.图2b是示出10米长、1.9mm直径的star线的平面图。
20.图3是示出在直径为0.81mm的铜成形器上用8个对称的rebco带制成的1.75mm直径的star线在弯曲到15mm的半径时在4.2k的高磁场中测量的je的绘图。
21.图4是示出包括0.79mm直径的含nb-ti的成形器和六层对称rebco带的混合star线的剖视图。
22.图5是示出根据实施方式的用于制造圆形超导线的方法的实施方式的流程图。
23.图6是示出根据一个实施方式的用于检测圆形超导线失超的方法的实施方式的流程图。
24.图7是示出在4.2k下在15mm的弯曲半径下测量的四根混合star线的工程电流密度的磁场依赖性的绘图。
具体实施方式
25.应当理解，本发明的附图和描述可以已经被简化以示出与清楚地理解本实施方式相关的元件，同时为了清楚起见，消除了在典型的圆形超导线中发现的其它元件或用于制造圆形超导线的典型方法。本领域的普通技术人员将认识到，为了实现本实施方式，其它元件可能是可取的和/或需要的。然而，因为这种元件在本领域中是公知的，并且因为它们不便于更好地理解本实施方式，所以本文中不提供对这种元件的讨论。还应当理解，这里包括的附图仅提供了本发明当前优选结构的图解表示，并且落入本实施方式范围内的结构可以
包括与附图中所示的结构不同的结构。现在将参考附图，其中相同的结构具有相同的附图标记。
26.在详细解释至少一个实施方式之前，应当理解，在本文中阐述的概念在其应用中不限于在以下描述中阐述的或在附图中示出的结构细节或组件布置。还应该理解，本文中使用的措辞和术语仅仅是为了描述的目的，而不应该被认为是限制性的。
27.还应当理解，所描述的特征中的任何一个可以单独使用或与其它特征组合使用。在审查了本文中的附图和详细描述之后，本文中描述的设备、系统、方法、特征和优点的其它实施方式对于本领域技术人员将是或将变得显而易见。所有这样的附加设备、系统、方法、特征和优点都旨在由所附权利要求保护。
28.为了本公开的目的，术语“膜”和“层”可以互换使用。
29.为了本公开的目的，短语“圆形超导线”可以指基本上圆形的超导线。
30.为了本公开的目的，短语“超导线成形器”是指包含超导材料和(非超导)金属材料或基体(matrix)的复合材料的含超导的线成形器。
31.为了本公开的目的，如果通常提及术语“稳定器(stabilizer)”(即，没有改性剂“底部”或“顶部”)，则其可以是指底部稳定器或顶部稳定器。
32.本公开描述了在高磁场中在例如液氦温度下具有改进的工程电流密度的圆形rebco线。使用rebco带已经制造直径为1.3mm至2mm(或更小)的star rebco线，其中rebco膜定位在带的几何中心附近或中性平面附近。这种star线表现出优异的弯曲应变耐受性。迄今为止，已经用完全由铜制成的成形器制造了star导线。本说明书使用用于star线的超导/超导体成形器，因此使用“混合star线”。混合star线导致je的显著改进，并且还用作失超检测的机构。
33.通过用超导线成形器替换star线中用作成形器的铜导线，本公开试图改进star导线的je，并提供一种新的失超检测方法。使用例如约1.1mm或更小(优选直径为0.4mm至1.1mm)的含nb-ti的超导线成形器，通过在超导线成形器之上螺旋缠绕对称rebco带来制造直径为1mm至3mm的star线。由于nb-ti在10t以下是超导的，因此它的je可以加到rebco带的je上，导致整个star线的较高的je。如果使用nb3sn线作为超导线成形器，即使在高达20t的场中，则其je可以添加到star线的je。如果使用mgb2或bi-sr-ca-cu-o(bscco)圆线作为成形器，即使在高于20t的场中，则其je可以添加到star线的je。
34.由于rebco带的电磁特性与其它超导线的电磁特性不同，因此在star线中的rebco带失超的情况下，rebco带(即，紧邻超导线成形器的最近的带)和超导成形器之间的电流分布可以改变。这种突然变化可以通过监测用star线制成的线圈的电压或电流特性的任何偏差来检测。这种即将发生的失超的检测对于关闭和保护昂贵的磁体是可取的。
35.在本公开的方面中，可以实现在4.2k、20t下400a至1500a/mm2的工程电流密度(je)水平，并且其比在4.2k、20t下由nb3sn圆形超导体实现的工程电流密度水平高多达约6倍。
36.更详细地，发明人开发了一种制造具有高工程电流密度和对弯曲应变的高耐受性的圆形超导(例如，rebco)线的创新方法。这些圆形超导线的总直径可以仅为1.6mm至2mm，并且通过将窄的rebco(矩形)带缠绕在大约1mm直径(或更小)的铜导线成形器上而制成。通过使用对称带，这种小直径圆形超导线是可能的，其中rebco膜定位在每个缠绕带的中性平面附近。换句话说，在每个缠绕带中，在位于中心的rebco膜的任一侧上的各层的组合的总
厚度基本上相同。因此，带在这方面被认为是对称的。通过战略选择顶部铜稳定器的厚度以最小化rebco膜和带的中性平面之间的距离来实现这种对称带结构，这在圆形线弯曲成小直径时最小化弯曲应变。衬底(例如，哈斯特洛伊、铬镍铁合金、不锈钢、镍铬合金、ni-w)本身被制成薄，约10μm至25μm，以便能够实现对弯曲应变具有良好的耐受性。rebco带的总厚度为约30μm至60μm，包括铜稳定器(参见图1a中的整个rebco带)。将多个这些rebco带(例如，数量为6至8个)缠绕在铜线成形器上以产生对称带圆形(star)线，每个rebco带的宽度约为2.5mm。铜线成形器在其轴向上是坚固的，同时具有足够的柔性以将star线弯曲成小直径。如图2b所示，本公开的star线可以制造成例如10米的长度。
37.图1a仅作为示例，是示出薄对称rebco带的示意性剖视图，其中rebco膜定位在几何中心附近，靠近中性平面。即使使用20+μm厚的顶部铜稳定器，由于使用薄的(22μm)哈斯特洛伊合金衬底，所以总的带厚度也很小。薄对称rebco带是用于制造圆形超导线的多个薄对称rebco带中的一个。
38.图1b是示出用于制造圆形超导线的多个薄对称rebco带中的另一个的示意性剖视图。
39.图2a仅作为示例，是示出了包括1mm直径的铜成形器和六个对称的rebco带的对称带圆形(star)线的剖视图。
40.图2b仅作为示例，是示出10米长、1.9mm直径的star线的平面图。
41.图3仅作为示例，是示出在直径为0.81mm的铜成形器上用8个对称的rebco带制成的直径为1.75mm的star线在弯曲到15mm的半径时在4.2k的高磁场中测量的je的绘图。
42.图3示出了star线在4.2k的高磁场中的示例性性能。该star线是通过在直径0.81mm的铜成形器上缠绕8层对称带制成的。前两层是宽2mm的带，并且其余六层是宽2.5mm的带。star线的总直径为1.75mm。在直线的形式中，该线在77k、自场下表现出571a的临界电流，对应于238a/mm2的工程电流密度。当弯曲到半径为15mm时，在77k、自场下的临界电流为494a，对应于206a/mm2的工程电流密度。在该弯曲半径处，该线在20t时表现出402a/mm2的je。基于方程式eq.1中0.82的α值。
43.je(b)＝je(0)b-α
ꢀꢀꢀ
eq.1
44.je在15t下预计为515a/mm2。
45.如果可以生产具有极好的弯曲应变耐受性的圆形rebco线，其可以满足15mm的严格弯曲半径要求，并且在4.2k、20t下的je现在为600a/mm2并且在不久的将来为1000a/mm2或更高，可以生产由多个缠绕的圆形rebco线制成的rebco线圈，其能够实现将来的高场加速器磁体。实现这种高je水平的挑战是，当圆形rebco线制成约1mm至3mm的小直径时，圆形rebco线的临界电流降低。本公开描述了多个实施方式，以在诸如具有这些小直径的圆形rebco线中实现高je。
46.传统的圆形rebco线由几乎相同的rebco带制成，所述rebco带以螺旋方式缠绕在圆形成形器上。每个圆形rebco线可以包括在多个超导带的不同层中的相同或可选地不同结构尺寸和/或组成的rebco带。本公开的rebco带螺旋缠绕在圆形超导成形器上。可以采用rebco带的结构从圆形含rebco线的内部rebco带到外部rebco带的(例如，稳定的)改变。rebco带内的一些层/结构可以不从先前下面的rebco带中的相应层/结构(例如，在以下任何实施方式中)改变。以下公开了rebco带的不同结构：
47.a.在rebco膜侧上的铜稳定器的厚度。
48.b.银层的厚度。
49.c.衬底的厚度。
50.d.rebco膜的厚度。
51.e.rebco带的宽度。
52.示例性实施方式
53.通过用超导线成形器替换star线中用作成形器的铜线，本公开试图改进star线的je，并且提供一种新的失超检测方法。使用直径为0.4mm至1.1mm的含nb-ti的超导线成形器，可以通过在超导线成形器上螺旋缠绕对称的rebco来制造直径为1mm至3mm的混合star线。由于nb-ti在10t以下是超导的，因此它的je可以加到rebco带的je上，导致整个star线的较高的je。类似地，如果使用含nb3sn的超导线成形器，即使在高达20t的场中，其je可以添加到star线的je。可选地，如果使用含mgb2或含bi-sr-ca-cu-o(bscco)的超导线成形器，即使在高于20t的场中，成形器的je可以添加到star线的je。
54.由于rebco带的电磁特性与其它超导线的电磁特性不同，因此在star线中的rebco带失超的情况下，rebco带和超导线成形器之间的电流分布或电压分布可以改变。这种突然变化可以通过监测用star线制成的线圈的电流或电压特性的任何偏差来检测。这种即将发生的失超的检测对于关闭和保护昂贵的磁体是可取的。
55.图4仅作为示例，是示出包括0.79mm直径的含nb-ti的成形器和六层对称rebco带的混合star线的剖视图。更具体地，图4显示了使用0.79mm直径nb-ti/cu超导线成形器制造的star线的截面。nb-ti组合物是细丝(filament)的形式，nb-ti/cu线成形器是铜基体与嵌入的nb-ti细丝的复合材料。nb-ti/cu线成形器中的nb-ti与cu比率为1：1.25。图4还示出了缠绕在nb-ti/cu线成形器上的六个对称的rebco带，star线的总直径为1.54mm。
56.表1示出了用不同数量的对称rebco带缠绕在直径为0.79mm的nb-ti/cu超导线上制成的四根混合star线的细节。例如，混合star线#4由两个1.8mm、四个2.5mm和两个2.6mm宽的对称rebco带制成，并且当弯曲到半径为15mm时，在77k、自场下表现出大于600a的临界电流ic。该值对应于大于274a/mm2的je。
57.表1用直径为0.79mm的nb-ti/cu超导线成形器制造的四根混合star线的细节。在15mm的弯曲半径下进行临界电流测量。
[0058][0059]
图7示出了当四根混合star线弯曲到半径为15mm时，在4.2k下在高达31.2t的磁场中测量的工程电流密度。考虑了四根star线。star线#3在两个不同的时间测试-一个高达15t并且另一个从14t至31t。“l”是指缠绕在超导线成形器上的带的层数。在这种情况下，“l”等于表1中所示的带的数量。“α”是上述方程式(eq.1)中所示的指数中的变量。
[0060]
如图7所示，混合star线#4具有最大数量的层，并且在4.2k、15t下表现出739a/mm2的最高je值。该值与star线(具有铜线成形器)的515a/mm2的je相比较，该star线的je的绘图在图3中示出。该star线具有与混合star线#4类似的成形器直径和总直径以及相同数量的rebco带。基于混合star线#4的α值，预计其je将在4.2k、20t下达到600a/mm2，这与图3中所示的star线的绘图在20t下的测量值402a/mm2相比较。
[0061]
因此，nb-ti/cu超导线成形器将在4.2k下在低于10t的磁场中超导。因此，它可能潜在地在低于10t的磁场中维持一些电流，这将提高总的je。在10t以下的磁场中，混合star线#1的je(b(磁场))绘图的斜率中的轻微向上偏差可以表示rebco带和nb-ti/cu超导线成形器之间的这种均流。由于铜线成形器的低载流能力，这种均流对于铜线成形器是不可行的。
[0062]
除了增加star线的je之外，超导线成形器还具有检测失超事件的潜力。当从超导状态突然转变到电阻状态时发生失导。在这种剧烈转变中，流经超导的巨大电流必须被停止，以避免对超导线圈或磁体的灾难性损害。rebco的失超传播速度非常低，这使得通过常规方法难以及时检测失超。在rebco带和超导线成形器之间均流的情况下，当在rebco带中发生失超时，可以通过测量线圈两端的电压或电流来检测均流的重新分配。这种电流的重新分配然后可以用作检测失超和保护线圈/磁体的方法。
[0063]
尽管在本发明中给出的示例是基于nb-ti作为用于混合star线的超导线成形器内的超导组合物，但是本发明适用于包括主要为圆形几何形状的其它超导组合物(诸如，nb3sn、mgb2、bi-sr-ca-cu-o以及它们的组合物)的超导线成形器。在这些情况下，rebco带和超导线成形器之间的均流可以扩展到20t及以上的磁场。
[0064]
实施方式涉及一种圆形超导线，包括超导线成形器和缠绕在超导线成形器上的至少一个超导带。每个超导带包括：衬底；覆盖在衬底上的缓冲膜堆叠层；以及覆盖在缓冲膜堆叠层上的超导膜。在实施方案中，超导线成形器包含选自由nb-ti、nb3sn、mgb2，bi-sr-ca-cu-o及其组合组成的组中的成分。在另一个实施方式中，超导线成形器包括多个超导细丝。在另一个实施方案中，超导线成形器包括复合材料，该复合材料包括嵌入非超导金属基体内的多个超导细丝。在另一个实施方案中，超导线成形器包括复合材料，该复合材料包括嵌入铜基体内的多个nb-ti细丝。在又一实施方式中，至少一个超导带包括至少两个超导带。在另一个实施方式中，圆形超导线包括1mm至3mm的直径，并且超导线成形器包括0.4mm至1.1mm的直径。
[0065]
仅作为示例，图5是示出用于制造圆形超导线的方法500的实施方式的流程图。在实施方式中，方法500包括：提供超导线成形器(框502)；以及将超导带缠绕在超导线成形器周围(框504)。超导带包括：衬底；覆盖在衬底上的缓冲膜堆叠层；以及覆盖在缓冲膜堆叠层上的超导膜。在该方法的实施方案中，超导线成形器包括选自由nb-ti、nb3sn、mgb2、bi-sr-ca-cu-o及其组合组成的组中的成分。在该方法的另一个实施方式中，超导线成形器包括多个超导细丝。在该方法的另一个实施方案中，超导线成形器包括复合材料，该复合材料包括嵌入非超导金属基体内的多个超导细丝。在该方法的另一个实施方式中，超导线成形器包括复合材料，该复合材料包括嵌入铜基体内的多个nb-ti细丝。在该方法的又一个实施方式中，超导带是第一超导带，该方法还包括将第二超导带缠绕在第一超导带周围。第二超导带包括：衬底；覆盖在衬底上的缓冲膜堆叠层；以及超导膜，覆盖在缓冲膜堆叠层上。第二超导带在第一超导带周围的这种缠绕包括第二超导带可以与第一超导带直接接触或不与第一超导带直接接触的情况。例如，其它超导带可以在第一超导带和第二超导带之间。在该方法的另一个实施方式中，圆形超导线包括1mm至3mm的直径，并且超导线成形器包括0.4mm至1.1mm的直径。
[0066]
仅作为示例，图6是示出用于检测圆形超导线失超的方法600的实施方式的流程图。在实施方式中，方法600包括：采用线圈配置的圆形超导线，其中，圆形超导线包括超导带和其上缠绕有超导带的超导线成形器(框602)；以及监测超导带和超导线成形器之间的电流分布或电压分布(框604)。在用于检测失超的方法的实施方式中，超导线成形器包括选自由nb-ti、nb3sn、mgb2、bi-sr-ca-cu-o及其组合组成的组中的成分。在用于检测失超的方法的另一个实施方式中，超导线成形器包括多个超导细丝。在用于检测失超的方法的另一个实施方式中，超导线成形器包括复合材料，该复合材料包括嵌入非超导金属基体内的多个超导细丝。在用于检测失超的方法的又一个实施方式中，超导线成形器包括复合材料，该复合材料包括嵌入铜基体内的多个nb-ti细丝。在用于检测失超的方法的另一个实施方式中，圆形超导线包括1mm至3mm的直径，并且超导线成形器包括0.4mm至1.1mm的直径。
[0067]
尽管以上参考包含rebco超导膜的rebco带描述了实施方式，但是以上实施方式中的任一个中描述的rebco超导膜可以可选地是包含不同超导材料的超导膜。这种替换被认为在本发明的精神和范围内，并且因此可以利用上述配置和实施方式的优点。
[0068]
本文描述的任何实施方式中的方法步骤不限于以任何特定顺序执行。此外，在任何方法实施方式中所提及的结构可以利用在任何装置实施方式中所提及的结构。这种结构可以仅针对装置实施方式进行详细描述，但是适用于任何方法实施方式。
[0069]
上述任何实施方式中的特征可以与上述其它实施方式中的特征组合使用，这种组合被认为在本发明的精神和范围内。
[0070]
以上具体提及的预期的修改和变型被认为在本发明的精神和范围内。
[0071]
应当理解，上述描述旨在是说明性的，而不是限制性的。已经呈现了该材料以使得本领域的任何技术人员能够制造和使用本文描述的概念，并且在特定实施方式的上下文中提供该材料，实施方式的变型对于本领域的技术人员将是显而易见的(例如，所公开的实施方式中的一些可以彼此组合使用)。在阅读上述描述后，许多其它实施方式对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本文中的实施方式的范围应该参考所附权利要求以及这些权利要求所授权的等同的全部范围来确定。在所附权利要求中，术语“包括(including)”和“其中(in which)”用作相应术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的简明英语等同。