制冷机直接冷却MgB2超导磁体的设计与制备

摘要

MgB2是2001年初发现的一种新型超导材料，是迄今为止临界温度最高的金属化合物超导体，其超导转变温度达39 K。由于MgB2具有较高的转变温度、较大的相干长度、较高的上临界场、晶界不存在弱连接、结构简单、成本低廉等优点，都为MgB2的商业应用带来不小的契机，因此能否利用MgB2线材制成可以用在医疗成像的MRI磁体线圈成为了人们比较感兴趣的课题。
　　本文主要论述内容包含三个方面，首先是MgB2的线材制作，其次是磁体匀场板的设计。对于MgB2线材的制作，在制作使用在MRI成像磁体上的MgB2超导线圈时要考虑2个因素:一是如何增大线材的临界电流，二是如何增大线材的上临界场。对实验数据进行比较发现:线材的临界电流、上临界场与热处理温度、掺杂物质有关，适当地改变MgB2线材的热处理温度可以增大其临界电流;对MgB2线材掺入C、Ti等元素可以提高临界电流与上临界场。对于磁体匀场板的设计，主要是研究如何利用匀场板使MgB2磁体线圈产生比较均匀的磁场:利用电磁学中磁介质的导磁率与磁路定理，粗略的得出了磁体的大致尺寸，根据有限元计算软件ANSYS模拟磁体的2D磁场，并结合目前对匀场板的加工条件，进而得出铁轭与匀场板的精细尺寸以及形状。
　　在制作磁体线圈的阶段，对使用MgB2线材制作出MRI磁体线圈总结出了一个比较完整的工艺流程，解决了在制作线圈的过程中，骨架板之间的缝隙不均匀问题。对绕线机进行改善以达到在绕线时的能够施加均匀的张力，避免了在绕线时的启停时刻对线材施加的张力过大而导致线材的损坏。此外，在对线圈的绝缘问题也总结出了一套可行的方法。
　　本次设计的磁体线圈，其中心场强为0.6 T，对磁体线圈的制冷方式为制冷机直接冷却。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 MgB2的基本特性

1．3 研究MgB2磁体的意义

1．3．1 MgB2超导体转变温度较高

1．3．2 MgB2磁体制作与性能比其它材料有优势

1．3．3 MgB2超导材料与磁体制作成本较低

1．4 超导磁体的应用

1．4．1 超导电机

1．4．2 超导磁体储能

1．5 使用超导线材制备磁体的两种思路

1．5．1 先绕制线圈后热处理

1．5．2 先热处理后绕制线圈

1．6 本论文的主要研究内容

第2章 MgB2线材制备与性能的研究

2．1 MgB2线材制备研究

2．1．1 MgB2线材的制备

2．1．2 包套材料的选择

2．1．3 原始粉末的影响

2．2 化学参杂MgB2超导电性的影响

2．2．1 C掺杂的影响

2．2．2 金属掺杂的影响

2．2．3 化合物掺杂的影响

2．3 热处理温度对分步反应法MgB2／Nb／Cu线材相组成的影响

2．3．1 热处理温度对晶态B粉制备样品相组成的影响

2．3．2 热处理温度对非晶态B粉制备样品相组成的影响

2．3．3 对比不同温度下不同前驱B粉的相组成的影晌

2．4 本章小结

第3章 匀场板的设计与磁场分析

3．1 环路电流磁场的计算

3．1．1 环形电流的磁场计算

3．1．2 双饼线圈的磁场计算

3．2 磁体的理论计算

3．2．1 铁磁质的磁化规律

3．2．2 铁轭材料的选取

3．2．3 磁路定理

3．3 匀场板的设计与磁场分析

3．3．1 匀场板的设计

3．3．2 不同匀场板的磁场分析

3．4 本章小结

第4章 骨架的制作与绕线的过程

4．1 分析线圈骨架对磁体线圈的影响

4．1．1 分析双饼线圈骨架选料

4．1．2 优化双饼线圈骨架加工过程

4．2 对线圈绝缘的优化

4．2．1 绝缘材料的选取

4．2．2 MgB2线材与不锈钢带的绝缘方法的改进

4．2．3 骨架与夹板的绝缘

4．3 探索线圈绕线过程

4．3．1 改进线材热处理工艺

4．3．2 制作绕线流程图

4．3．3 对确保绕线时的稳定性问题的研究

4．3．4 对磁体线圈绝缘检测的研究

4．3．5 改良绕线机

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢