專利名稱：超導(dǎo)磁體的電、機(jī)械以及熱隔離的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利文件的一部分公開內(nèi)容包括受版權(quán)保護(hù)的材料。當(dāng)其出現(xiàn)在專利或商標(biāo)局專利文檔或記錄中時(shí)，版權(quán)擁有者不反對(duì)專利文件或?qū)＠_內(nèi)容的任何一項(xiàng)的復(fù)制，否則保留所有版權(quán)權(quán)利。相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用本申請(qǐng)要求2008年9月27日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/100，717的優(yōu)先權(quán)和利益，在此通過整體引用而將其內(nèi)容結(jié)合在本文中。
背景技術(shù)：
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例通常涉及超導(dǎo)磁體，更加具體地，涉及用于在極端電和熱梯度的環(huán)境下掩蔽磁體的方法。也可以構(gòu)建本發(fā)明的實(shí)施例用以高度抵抗超導(dǎo)材料上的電離輻射及其有害影響。本發(fā)明的電和熱隔離能力可用于例如直接動(dòng)能到電能轉(zhuǎn)換器的磁流體動(dòng)力學(xué) (下文中為“MHD”)的領(lǐng)域。緊湊而穩(wěn)健的MHD轉(zhuǎn)換器裝置可用于高效率地將噴氣機(jī)或火箭排氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。在超熱排氣流的周圍掩蔽敏感的超導(dǎo)材料僅僅是根據(jù)本發(fā)明的熱和機(jī)械隔離超導(dǎo)磁體(即，磁體線圈、線圈支撐結(jié)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)和熱絕緣)的實(shí)踐。超導(dǎo)磁體的電、機(jī)械和熱隔離的方法和設(shè)備涉及超導(dǎo)磁體設(shè)計(jì)、制造和操作的領(lǐng)域。更加具體地講，超導(dǎo)磁體的電、機(jī)械和熱隔離的方法和設(shè)備涉及用于在極端電和熱梯度的環(huán)境中掩蔽超導(dǎo)磁體的方法。也可構(gòu)建各種實(shí)施例用以高度抵抗超導(dǎo)材料上的各種形式的輻射(包括電離輻射)及其不利影響。在此公開的內(nèi)容還適用于需要強(qiáng)磁場的其它處理和裝置，其中存在高熱梯度、強(qiáng)電場或高電場梯度或各種形式的輻射。本發(fā)明也適用于核磁共振(下文中為“NMR”)和磁共振成像(下文中為“MRI”) 的領(lǐng)域，其中根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的超導(dǎo)磁體將允許材料分析和成像裝置能夠經(jīng)受住更加極端的電、熱和輻射環(huán)境。本發(fā)明也可用于質(zhì)譜分析的領(lǐng)域。根據(jù)本發(fā)明使用超導(dǎo)磁體構(gòu)建的質(zhì)譜儀將具有非常大的溫度、振動(dòng)和輻射暴露的工作范圍。本發(fā)明也適用于先進(jìn)的空間推進(jìn)領(lǐng)域。最后，本發(fā)明涉及磁性材料分離的領(lǐng)域，其中本發(fā)明將用于提供強(qiáng)磁場以去除來自要被處理的物質(zhì)的磁性元素。根據(jù)一個(gè)或多個(gè)在此公開的當(dāng)前實(shí)施例構(gòu)建的磁體將允許用于此裝置的更大的工作溫度范圍。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的方法和設(shè)備為這樣的設(shè)計(jì)，其用于在提供冷卻、熱隔離、結(jié)構(gòu)支撐，并同時(shí)提供高勢(shì)差電絕緣的設(shè)備中容納超導(dǎo)磁體。在某些方面，冷卻的各種實(shí)施例包括低溫冷卻。本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員可以容易地認(rèn)識(shí)到預(yù)計(jì)通過在此公開的技術(shù)實(shí)施的附加的冷卻方法。
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在一個(gè)實(shí)施例中，電絕緣包括一個(gè)或多個(gè)介電材料層。在一些實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)介電層可以是陶瓷、玻璃、聚合物或其它可適用的介電材料，這取決于具體應(yīng)用。一個(gè)或多個(gè)絕緣超導(dǎo)磁體的介電層允許介電層外部的導(dǎo)電層相對(duì)于線圈繞組、冷卻系統(tǒng)和繞組殼體保持在高電勢(shì)差下。包圍超導(dǎo)線圈繞組的最內(nèi)層由用于線圈繞組自身的結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)成，可以同時(shí)起用于有效泵抽冷卻劑的液流通道的作用。在某些方面，在介電層和結(jié)構(gòu)支撐/冷卻系統(tǒng)層之間提供與具有極低熱傳導(dǎo)率的撓性低密度基于硅石熱絕緣層結(jié)合的金屬化的編織的聚合織物包覆(在各個(gè)方面，反射性“超絕緣”)。三個(gè)或更多的柱可以支撐超導(dǎo)磁體設(shè)備，可以提供抵抗重力或其它在操作期間出現(xiàn)在磁體組件上的力的支撐。這些支撐柱的一個(gè)或多個(gè)可以是中空的，以提供通過其可以布置冷卻劑供給、電源、或其它供給管道的腔。在各個(gè)方面，超導(dǎo)磁體組件可任選地為環(huán)形或其它適合的幾何構(gòu)造。在一個(gè)實(shí)施例中，支撐柱的外部一個(gè)或多個(gè)層可以是一個(gè)或多個(gè)介電材料層。當(dāng)磁體組件的最外層要經(jīng)受高熱通量或各種形式的輻射時(shí)，可以將近室溫冷卻系統(tǒng)并入到超導(dǎo)磁體組件和相關(guān)的系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中，附加的近室溫冷卻系統(tǒng)具有介電冷卻劑和介電冷卻劑供給線，以使與一個(gè)或多個(gè)介電冷卻劑材料或介電冷卻劑供給線接觸的最外的導(dǎo)電層可以繼續(xù)保持在高電勢(shì)下。在另一個(gè)實(shí)施例中，一種提供一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)電磁體的電絕緣和機(jī)械支撐的方法，包括以下步驟用一個(gè)或多個(gè)介電材料層包裹所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體并用一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電材料層包裹所述一個(gè)或多個(gè)介電材料層，所述一個(gè)或多個(gè)介電材料層共同具有比 ⑴和⑵的商大的介電強(qiáng)度，其中⑴是⑴和(ii)之間的最大電勢(shì)差(電壓)，其中 (i)為所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體；而(ii)為包裹了包裹所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的所述一個(gè)或多個(gè)介電材料層的所述一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電材料層；并且(2)為所述一個(gè)或多個(gè)介電材料層的共同厚度；以及為所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體提供機(jī)械支撐，其中每個(gè)磁體與支撐所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)的表面保持一定距離，以使(3)和(4)之間的最短距離大于 (5)和(6)的商，其中(3)為所述一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電材料層的最外表面；(4)為支撐所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的所述結(jié)構(gòu)的所述表面；(5)為⑴和(ii)之間的最大電勢(shì)差(電壓)，其中(i)為所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體；而(ii)為包裹了包裹所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的所述一個(gè)或多個(gè)介電材料層的所述一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電材料層；以及(6)為(3)和(4)之間的介質(zhì) (插入物質(zhì))的有效介電強(qiáng)度。在另一個(gè)實(shí)施例中，所述方法還包括用于提供包括用于所述線圈的結(jié)構(gòu)性支撐結(jié)構(gòu)的高K介電材料的一個(gè)或多個(gè)最內(nèi)層的步驟，所述結(jié)構(gòu)支撐結(jié)構(gòu)還作為用于有效泵抽低溫冷卻劑的一個(gè)或多個(gè)流動(dòng)通道。在另一個(gè)實(shí)施例中，一種用于一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)電磁體的機(jī)械支撐、電絕緣和熱絕緣的方法包括以下步驟支撐超導(dǎo)電磁體繞組、繞組殼體和低溫冷卻劑；隔離包括由上半部分和下半部分組成的電介質(zhì)的環(huán)形部分的一個(gè)或多個(gè)層元件；以及熱隔離一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁線圈。在實(shí)施例的其它各個(gè)方面，所述方法包括用于隔離包括由上半部分和下半部分組成的電介質(zhì)的環(huán)形部分的一個(gè)或多個(gè)層元件的步驟，而且還包括在氫氧化物溶液中溶解硅
7酸鹽的步驟。在其它各個(gè)方面，所述方法也可以包括用于隔離包括由上半部分和下半部分組成的電介質(zhì)的環(huán)形部分的一個(gè)或多個(gè)層元件的步驟，還包括在環(huán)形部分周圍纏繞撓性玻璃纖維的步驟；以及用環(huán)氧樹脂(epoxy)溶液處理所述纖維。在某些方面，所述方法可以包括其中熱絕緣一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體線圈的步驟，還可以包括在外層和所述介電層之間并入輻射屏蔽層的步驟。在另一個(gè)實(shí)施例中，一種提供一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)電磁體的電絕緣和機(jī)械支撐的方法還可以包括用于這樣的步驟，提供與包含高反射率、低熱傳導(dǎo)率材料的撓性低密度基于硅石熱絕緣層耦合的一個(gè)或多個(gè)真空沖擊的(vacuum-impinged)金屬化的編織的聚合織物包覆層的步驟。在另一個(gè)實(shí)施例中，一種超導(dǎo)磁體線圈，包括高K介電材料層；真空沖擊的織物包覆層，該層提供與包含高反射率和低熱傳導(dǎo)率材料的撓性的低密度基于硅石的熱絕緣層耦合的一個(gè)或多個(gè)真空沖擊的金屬化的編織的聚合織物包覆層；以及熱絕緣層。在某些方面，所述實(shí)施例也可以包括高K介電材料層，該層包括在銅基中乃至由多個(gè)編制的絲和附加結(jié)合材料組成的較大電纜中包含的單獨(dú)的絲；管中電纜盧瑟福電纜的繞組，其中銅基體中的超導(dǎo)絲編織在中心銅通道周圍，其中外部電纜被絕緣材料覆蓋；真空沖擊的金屬化的編織的聚合織物包覆層；以及熱絕緣層。在另一個(gè)實(shí)施例中，一種繞組支撐結(jié)構(gòu)，包括固定到線圈繞組的由上半部分和下半部分構(gòu)成的不銹鋼環(huán)形容器；耦合到所述下半部分上的多個(gè)供給導(dǎo)線的一個(gè)或多個(gè)孔， 其中一個(gè)或多個(gè)電纜以一偏移量分離；與所述電纜孔同軸的裝配板；以及從第一對(duì)柱偏移的一個(gè)或多個(gè)附加柱，其中所述柱沿一個(gè)或多個(gè)線圈半徑向下延伸。在某些方面，所述實(shí)施例也可以包括保持在高真空下的一個(gè)或多個(gè)金屬化的尼龍包圍層；被氣密金屬腔包圍的一個(gè)或多個(gè)層；附加的熱絕緣層；以及被包裹在片中并通過高強(qiáng)度纖維固定在一起的納米孔凝膠體的一個(gè)或多個(gè)撓性片。在其它各個(gè)方面，所述實(shí)施例也可以包括包含真空腔體內(nèi)的繞組支撐結(jié)構(gòu)并提供內(nèi)部真空的容器，以密封圍繞繞組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)元件。在其它各個(gè)方面， 所述實(shí)施例可以包括冷卻系統(tǒng)、具有高介電特性的冷卻系統(tǒng)、其中可以泵抽介電冷卻劑的通道、蝕刻進(jìn)入固體介電層外部的通道、由介電材料組成的管道，其中所述管道向線圈頭提供介電冷卻劑并通過內(nèi)部支撐柱的中空部分、遵循圍繞外部金屬層的磁場線的輪廓的次半徑橫截面、以及具有微呈橢圓形的次半徑橫截面的線圈。參考本說明書的剩余部分，包括附圖和權(quán)利要求，將認(rèn)識(shí)到本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)，以及本發(fā)明的各種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)和操作將在下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述。在附圖中，同樣地參考數(shù)字代表同一個(gè)或功能相似的元素。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)被設(shè)計(jì)用于在腔室內(nèi)安裝的實(shí)施例的外部和內(nèi)部的三維剖面圖。圖2A是具有大的主半徑對(duì)次半徑的比率的環(huán)形(toroidal)磁線圈頭的橫截面， 該磁線圈頭具有與產(chǎn)生的磁場共形的線圈容器幾何結(jié)構(gòu)。圖2B是具有小的主半徑對(duì)次半徑的比率的環(huán)形磁線圈頭的橫截面，該磁線圈頭具有與產(chǎn)生的磁場共形的線圈容器幾何結(jié)構(gòu)，線圈幾何結(jié)構(gòu)的特征為外部線圈容器的偏移或伸長。圖2C是具有非圓形繞組橫截面且具有與產(chǎn)生的磁場共形的線圈容器幾何結(jié)構(gòu)的螺線管類型的磁線圈頭的橫截面，該磁線圈頭的特征在于“水滴”形狀，其被平鋪 (flattened)在線圈空腔內(nèi)的容器的表面上。圖3示出了具有適合于在本發(fā)明的環(huán)形或多邊形實(shí)施例中使用的多個(gè)繞組的次半徑橫截面?？梢云叫胁荚O(shè)多個(gè)繞組以提供均勻的電流密度，或者在變化的電流下(與主繞組互補(bǔ)或相反)以控制線圈掩體外部的磁場形狀。圖4是具有與圖3類似的次半徑橫截面的本發(fā)明的實(shí)施例的環(huán)形線圈頭的剖面。圖5A是在透視圖中示出的本發(fā)明的多邊形實(shí)施例(在該情況下，方形)的剖面。圖5B示出了在沿圖5A中所示幾何結(jié)構(gòu)的直線部分的中間點(diǎn)(特別地，在被標(biāo)記為509的平面)處的適用于產(chǎn)生的磁場與容器共形的次半徑橫截面。圖5C示出了在圖5A中所示幾何結(jié)構(gòu)的拐角處(特別地，在被標(biāo)記為508的平面) 處的適用于產(chǎn)生的磁場與容器共形的次半徑橫截面。圖6示出了與產(chǎn)生的磁場和附近的抗磁等離子體產(chǎn)生的場的疊加共形的圓形線圈的橫截面。其特征在于外部線圈容器沿連接次半徑的中心和等離子體表面處磁場的發(fā)散矢量的線的偏移或伸長。圖7示出了環(huán)形系統(tǒng)的橫截面，包括電源線和熱/電隔離元件的位置和設(shè)計(jì)。圖8A是具有用于在高外部熱通量下的本發(fā)明的操作的底部裝配的輔助冷卻系統(tǒng)的線圈頭的剖面圖。圖8B示出了圖8A中所示幾何結(jié)構(gòu)的次半徑橫截面的詳細(xì)視圖。圖9是剖面圖，示出了適用于屏蔽環(huán)形線圈繞組的后面裝配的支撐以防止帶電粒子沖擊的載流線圈的布置。圖10是用于提供一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的電絕緣和機(jī)械支撐的方法流程。圖11是還包括用于提供一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體和介電絕緣的電絕緣、機(jī)械支撐的附加步驟的方法流程。圖12是用于在超導(dǎo)磁體與其最外面的容器之間提供電隔離的方法流程。圖13是用于在超導(dǎo)磁體與其最外面的容器之間提供電隔離的方法流程。圖14是用于在超導(dǎo)磁體與其最外面的容器之間提供電隔離的方法流程。圖15是用于在超導(dǎo)磁體與其最外面的容器之間提供電隔離的方法流程。圖16是用于提供用于超導(dǎo)電磁體的電隔離、絕緣、機(jī)械支撐和支撐桿的絕緣的方法流程。圖17是用于提供超導(dǎo)磁體與其支撐結(jié)構(gòu)的電隔離和絕緣的方法流程。圖18是用于提供一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的機(jī)械支撐、電隔離和熱絕緣的方法流程。圖19是還包括用于提供一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的機(jī)械支撐、電隔離和熱絕緣的附加步驟的方法流程。圖20是還包括用于提供一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的機(jī)械支撐、電隔離和熱絕緣的附加步驟的方法流程。圖21是還包括用于提供一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的機(jī)械支撐、電隔離和熱絕緣的附加步驟的方法流程。
圖22是還包括用于提供一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的機(jī)械支撐、電隔離和熱絕緣的附加步驟的方法流程。圖23是用于提供一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的機(jī)械支撐、電隔離和熱絕緣的方法流程。圖24是還包括用于提供一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的機(jī)械支撐、電隔離和熱絕緣的附加步驟的方法流程。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例的方法和設(shè)備克服了一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的現(xiàn)有機(jī)械、 電，和熱隔離中的上述和其它不足。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，超導(dǎo)繞組以圓形橫截面放射狀纏繞，以提供偶極磁場。 繞組本身可以具有銅基體的單獨(dú)的超導(dǎo)絲，或者具有由多個(gè)編制的絲和附加的銅接合劑 (binder)組成的較大電纜。超導(dǎo)絲可以是高溫(HTSC)或低溫(LTSC)類型的。由于HTSC 繞組的臨界溫度更高，HTSC超導(dǎo)體可以優(yōu)選在實(shí)施例中經(jīng)受更熱的氣流，從而可降低冷卻它們所需的輸入功率。然而，在更高冷卻功率需求的代價(jià)下，LTSC繞組擁有在輻射效應(yīng)下耐久性的優(yōu)點(diǎn)。在某些方面，所有的實(shí)施例可以變化地包括包含超導(dǎo)繞組、繞組掩體、低溫致冷劑和冷卻劑容器的超導(dǎo)磁體。所有的實(shí)施例也可以包括外部金屬層，該外部金屬層包含包圍介電材料的導(dǎo)電材料，該介電材料包圍超導(dǎo)磁體。在另外一些方面，第一電壓包括超導(dǎo)磁體和外部金屬層之間的電勢(shì)差。在其它各個(gè)方面，實(shí)施例變化地包括包圍介質(zhì)(medium)， 其中介質(zhì)包圍外部金屬層且包圍同樣包圍了支撐桿的絕緣層。在同時(shí)使用LTSC和HTSC絲的情況下，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例利用管中電纜盧瑟福類型電纜的繞組，其中銅基體的超導(dǎo)絲纏繞在中心銅通道的周圍。此通道被所需的低溫冷卻劑填充，并被有效泵抽以提供強(qiáng)制的對(duì)流制冷?？捎玫睦鋮s劑包括各種流體，其中包括液氦、液氮、液氫和超臨界的氣體等等。在此將流體考慮為連續(xù)的、無定形的物質(zhì)，它們的分子自由移動(dòng)，彼此自由經(jīng)過，而且具有呈現(xiàn)出其容器形狀的趨勢(shì)。這些電纜的外部被例如聚酰胺的耐用型電絕緣體覆蓋。其它實(shí)施例包括被外部泵抽的低溫冷卻劑冷卻的固體繞組，并且繞組通過閉合循環(huán)的制冷機(jī)經(jīng)由傳導(dǎo)直接被冷卻。根據(jù)特定應(yīng)用的需要，完成的磁體繞組接下來可以在真空浸漬(vacuum impregnation)下與環(huán)氧樹脂結(jié)合在一起，或者再次被聚酰胺包覆。在前面提及的實(shí)施例中，此元件為環(huán)形(圓環(huán)形的(donut shaped))，具有延伸幾個(gè)線圈半徑的內(nèi)部冷卻的盧瑟福類型電纜的正和負(fù)導(dǎo)線，以使電能和冷卻劑流可以被提供給繞組。在繞組的外部上，下一層由繞組支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在一個(gè)實(shí)施例中，這由上半部分和下半部分構(gòu)成的不銹鋼環(huán)形容器組成，它被圍繞線圈繞組栓接(bolt)或焊接在一起。底半部分上的兩個(gè)小孔允許通過供給導(dǎo)線(冷卻劑和電力)。在優(yōu)選實(shí)施例中，這兩個(gè)電纜被180度分離。與這些電纜孔同軸的是用于支撐柱的裝配板，而且一對(duì)附加的柱偏離第一對(duì)90度。支撐柱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)元件附接在這里，且沿一定數(shù)目的線圈的半徑向下延伸。在各種方面，另一個(gè)實(shí)施例可以變化地包括將支撐柱焊接到容納超導(dǎo)磁體的環(huán)形容器。圍繞鋼支撐結(jié)構(gòu)，可以有多層金屬化的尼龍、金屬化的編織的聚合織物包覆。這些
10要容納于容器之中，容器內(nèi)部要保持高度真空，由此提供熱絕緣特性。在一個(gè)實(shí)施例中，該層被氣密的金屬空腔包圍，以使該區(qū)域可以被排空為高真空。在另一個(gè)實(shí)施例中，組件可以被設(shè)計(jì)為容納在真空腔體內(nèi)，并被設(shè)計(jì)為創(chuàng)造用于提供內(nèi)部真空的構(gòu)造。注意，在此實(shí)施例中，圍繞繞組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)元件被密封，以使少量的冷卻劑泄漏不會(huì)破壞真空。 金屬化的編織或聚合織物包覆層被例如極高R值海綿或基于硅石的涂層的附加的熱絕緣層包圍。一個(gè)實(shí)施例利用極低密度納米孔凝膠的撓性的片。這些可以被包覆在片中，并通過高強(qiáng)度纖維線材料而保持在其適當(dāng)?shù)奈恢?。圍繞熱絕緣層，存在被設(shè)計(jì)用于電隔離的元件。這些元件由上半部分和下半部分構(gòu)成的電介質(zhì)、或撓性電介質(zhì)的多層包覆的環(huán)形部分組成。對(duì)于最大電隔離，一個(gè)實(shí)施例由熔融硅石(低金屬含量的玻璃)的兩個(gè)半部分組成。這些半部分可以通過多種方法接合在一起，包括將兩個(gè)半部分熔化和壓力焊接到一起。如果采用該方法，在超導(dǎo)材料對(duì)高溫特別敏感時(shí)，要特別當(dāng)心，以免損壞內(nèi)部線圈繞組。在該處理期間，用低溫冷卻劑填充冷卻劑容器是一種最小化繞組的熱劣化的機(jī)會(huì)的方法。用于接合介電部分的另一種方法包括在氫氧化物溶液中的硅酸鹽的溶解。該溶液可被施加到界面，而且經(jīng)過溶液固體的蒸發(fā)，一種固體硅酸鹽結(jié)合物將保留。另一個(gè)實(shí)施例可使用將撓性玻璃纖維圍繞環(huán)形部分纏繞至所需厚度，并接著用環(huán)氧樹脂或硅酸鹽_氫氧化物溶液處理，以密封任何小孔或洞。附加的實(shí)施例可以使用基于環(huán)氧樹脂的電介質(zhì)、陶瓷、或聚合物。由于聚合物和環(huán)氧樹脂在加熱時(shí)趨于出氣和退化時(shí)，硅石和陶瓷優(yōu)選用于高溫和真空的應(yīng)用。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，線圈頭的外層為剛性金屬元件，被設(shè)計(jì)為抵抗各種波長的電磁波的影響。無線電、紅外線和X射線，以及中間波長將被該層大量吸收。拋光外表面將導(dǎo)致增加反射的電磁輻射的量，并增加其黑體發(fā)射率，由此加速冷卻。當(dāng)外層上的電磁或?qū)α鞯臒嶝?fù)載高時(shí)，需要另一個(gè)實(shí)施例，將需要包括附加的冷卻系統(tǒng)。為了保持線圈頭的外殼和地之間的電隔離，該冷卻劑必須本身具有很強(qiáng)的介電特性。這些需求可以通過但不局限于以下方式來滿足高度精煉的礦物油、氟化碳?xì)浠衔铮?以及基于硅氧烷(silicone)的商用變壓器流體(transformer fluid)。用于保持電絕緣的最主流的材料是基于硅氧烷的流體，因?yàn)槠洳痪哂邢竦V物油一樣的燃燒風(fēng)險(xiǎn)。在另一個(gè)實(shí)施例中，外部金屬元件件可以包括其中介電冷卻劑可以被泵抽的小通道，或者將通道蝕刻到固體介電層的外部，以沿金屬_電介質(zhì)界面提供冷卻。對(duì)于該實(shí)施例，必須注意固體介電材料不會(huì)與介電流體發(fā)生不利的反應(yīng)，像氟化碳?xì)浠衔锖湍承┚酆衔锏那闆r一樣。向線圈頭提供介電冷卻劑的管道向下通過支撐柱的中空部分，具體地講， 就是這些管道不會(huì)容納超導(dǎo)電纜導(dǎo)線。此管道也必須由介電材料構(gòu)成，以避免與處于地電勢(shì)的泵抽系統(tǒng)電導(dǎo)通。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)希望高通量的例如中子或伽馬射線的中性粒子輻射時(shí)，該設(shè)計(jì)可并入在外部容器和介電層之間的輻射屏蔽層。這只可以在大裝置上實(shí)踐，其中線圈的次半徑超過10cm。此輻射屏蔽可以是類似鉛的致密金屬的形式，或者是硼化碳-合成物 (borated carbon-composite)片。在一個(gè)實(shí)施例中，高通量的帶電粒子需要外部金屬層的形狀與磁場線共形。這不僅降低了裝置上的機(jī)械應(yīng)力，而且更重要地是它通過限制場線(場線是帶電粒子回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
11的導(dǎo)向中心)終止在金屬表面上的程度而降低了帶電粒子的沖擊。根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，單個(gè)隔離的線圈，優(yōu)選的次半徑橫截面是略微橢圓形的，具有面向里朝向線圈的軸的平坦側(cè)面。對(duì)于線圈陣列或在外部磁場存在時(shí)，橫截面的幾何結(jié)構(gòu)將相應(yīng)地變化，以使次半徑橫截面跟隨圍繞外部金屬層的磁場線。在另一個(gè)實(shí)施例中，線圈頭由多個(gè)支撐柱支撐，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)元件是中空的以提供用于要通過的支撐電纜和導(dǎo)管的通道。該元件被與在線圈頭上出現(xiàn)的熱絕緣和介電層相似厚度的熱絕緣和介電層覆蓋。然而，柱上沒有外金屬層，這允許線圈頭上的最外面的金屬容器與組件的其余部分完全電隔離。柱被附接到一對(duì)結(jié)合熱絕緣的套管和伸縮接頭的支撐環(huán)上。這阻止了過度的熱被導(dǎo)向內(nèi)部線圈繞組。下環(huán)被附接到到用作結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)以及將組件附接到所需位置的裝置的裝配板上。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，電絕緣包括高K介電陶瓷層、玻璃或聚合物，以使組件的最外層金屬層可以保持在與線圈繞組的高電勢(shì)差下。在某些方面，提供了，結(jié)合具有極低熱導(dǎo)率的撓性低密度基于硅石的熱絕緣層的，真空沖擊的金屬化的編織的聚合物織物包覆。最內(nèi)層提供了用于線圈繞組和冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)支撐，它可以具有作為有效泵抽低溫冷卻劑的流通道的雙重作用。接著通過三個(gè)或更多的柱來支撐環(huán)形線圈頭，以提供重力支撐。 這些柱是中空的，以提供可以低溫冷卻劑和電源管道可以通過的腔。與環(huán)形線圈頭相反，柱的最外層是厚的電介質(zhì)而不是金屬。如果線圈頭的外部要經(jīng)受高熱通量，就可以并入附加的近室溫冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有介電材料的冷卻劑和供給線，以使線圈頭的外部即使與冷卻劑接觸仍可以保持在高電勢(shì)，而沒有內(nèi)部電弧放電的風(fēng)險(xiǎn)。圖1還示出了本發(fā)明的一個(gè)被設(shè)計(jì)用于在真空室中安裝的實(shí)施例的三維剖面圖。 此實(shí)施例趨于產(chǎn)生一個(gè)偶極磁場。通過輸入管道113向超導(dǎo)繞組110供給電流和冷卻劑， 輸入管道113被同樣作為容器的結(jié)構(gòu)元件109包圍，結(jié)構(gòu)元件109容納液體或氣體冷卻劑。 在某些方面，冷卻劑可以是低溫容器中的低溫冷卻劑。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)元件必須維持在極低溫度下，因此優(yōu)選奧氏(austenitic)鋼合金。冷卻劑可以是多種不同類型中的一種，包括例如液氮或液氦的液態(tài)氣體，或者低溫下的足以防止相改變的壓力下的超臨界氣體。如果在繞組中使用的材料的轉(zhuǎn)化溫度低于10K，優(yōu)選超臨界氦。為了將經(jīng)超級(jí)冷卻的線圈繞組與傳導(dǎo)熱隔離，采用了多種系統(tǒng)。由多個(gè)真空沖擊的聚脂薄膜(mylar)片組成的絕緣覆層(公知為“超絕緣”)或例如氣凝膠的低密度固體可用于此目的。絕緣層108存在于線圈頭自身上，覆蓋結(jié)構(gòu)元件。在某些方面，結(jié)構(gòu)元件109 可以變化為繞組殼體或繞組頭低溫容器109。在其它不同方面，低溫容器109可以是低溫保持器109。熱絕緣材料111也覆蓋結(jié)構(gòu)支撐桿112。結(jié)構(gòu)支撐桿112由此也通過與低溫保持器的傳導(dǎo)性接觸而被超冷卻。支撐桿112接著必須通過熱支座(standoff) 104與室溫部件隔離。為了提供結(jié)構(gòu)完整性，兩個(gè)支撐環(huán)102和103提供了組件的橫向剛度。上環(huán)102稱作“冷環(huán)”，因?yàn)樗c冷卻部件部分接觸。在某些方面，冷卻部件可以包括超冷卻低溫部件。 下環(huán)103稱作“暖環(huán)”，因?yàn)樗幵谑覝馗浇?。暖環(huán)接附到基礎(chǔ)板115，在該實(shí)施例中，基礎(chǔ)板115具有用于在真空室的端口中裝配組件的法蘭密封114。第二冷卻系統(tǒng)由組件表面附近的冷卻的介電冷卻劑通道106構(gòu)成。為了在線圈頭105的金屬外皮(鋼、鎢、或鈦)和地之間保持電隔離，此冷卻劑必須自身具有很強(qiáng)的介電特性。高精練的礦物油、氟化碳?xì)浠衔?，以及基于硅氧烷的商用變壓器油滿足這些需求。優(yōu)選基于硅氧烷的流體，因?yàn)樗鼈儾痪哂信c礦物油一樣的燃燒的風(fēng)險(xiǎn)。該冷卻劑可以通過足以將外部容器維持在室溫附近(低于 70°C)的冷卻器和散熱片的系統(tǒng)泵抽，以限制主冷卻系統(tǒng)上的冷卻功率負(fù)載。在某些方面， 主冷卻系統(tǒng)可以是低溫的。為了將線圈頭容器105與地和與線圈繞組電隔離，一個(gè)或多個(gè)介電材料層107和101分別圍繞在線圈頭上的熱絕緣層108和支撐。此材料的介電強(qiáng)度必須相對(duì)高。在一些實(shí)施例中，介電材料可以是用于此層的熔融硅石(石英玻璃)。厚度由必須維持的電壓決定。在一些實(shí)施例中，介電材料必須在從約0. Icm到約50cm的厚度范圍內(nèi)。線圈頭容器105和電學(xué)地之間的電勢(shì)差(v，伏特)作為介電強(qiáng)度(Dk)和介電材料厚度(L)的乘積的函數(shù)而變化。在一些使用熔融硅石的實(shí)施例中，線圈頭容器和地之間的每 50kV的電勢(shì)差需要約lcm。線圈頭105還具有外徑116和內(nèi)徑117。線圈頭組件118包括超導(dǎo)繞組110、冷卻器/結(jié)構(gòu)元件109、熱絕緣層108、介電材料107、冷卻的介電冷卻劑通道 106以及線圈頭容器105。現(xiàn)在參考圖2A，該圖示出了與圖1中所示形式類似的線圈頭地橫截面。這是圍繞對(duì)稱軸206的超導(dǎo)體205的環(huán)形繞組，具有圓形橫截面。低溫保持器/結(jié)構(gòu)元件204、熱覆層203、一個(gè)或多個(gè)介電層202和線圈頭容器201包圍超導(dǎo)繞組并共享類似的圓形橫截面。 這是有必要的，以在組件的材料表面和產(chǎn)生的磁場線之間提供最大的保形度。這降低了裝置上的機(jī)械應(yīng)力并通過限制場線(其為帶電粒子回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的引導(dǎo)中心)終止在金屬表面上的程度來降低帶電粒子沖擊。對(duì)于與等離子體或帶電粒子源接觸或緊密鄰近而使用的系統(tǒng)，這非常重要，因?yàn)樗档土丝赡芊催^來會(huì)壓制冷卻系統(tǒng)的線圈頭外部的熱。對(duì)于具有大主半徑的皮狀線圈，圓形橫截面滿足了這些需求。在另一個(gè)實(shí)施例中，示出了如圖2B中所示的具有相對(duì)較小主半徑的更胖的線圈， 線圈孔中的對(duì)稱軸207附近的磁場線被壓縮到接近線圈相反一側(cè)，而且圓形橫截面不再理想。在此情況下，圓形橫截面線圈繞組213被圓形橫截面低溫保持器/結(jié)構(gòu)元件212和熱絕緣211圍繞，但是一個(gè)或多個(gè)介電層210向外偏移而且為輕微的橢圓形，以適應(yīng)相似地向外偏移的場保形線圈頭容器209。在另一個(gè)實(shí)施例中，示出了非圓形的線圈繞組橫截面，例如圖2C中所示的矩形螺線管218。在某些方面，推薦低溫保持器/結(jié)構(gòu)元件217具有與繞組相似的橫截面幾何結(jié)構(gòu)，而例如熱絕緣216和一個(gè)或多個(gè)介質(zhì)層215的所有外層具有與場共形外部線圈頭容器 214相似的橫截面幾何結(jié)構(gòu)。如圖2C中所示，對(duì)稱軸208附近的線圈的向里的面(面向孔的面)近乎平面，以在磁體孔中容納基本上恒定的磁場。熱和電絕緣層的厚度必須在所有點(diǎn)上比組件的正常操作所需的最小厚度要厚。圖2C中所示版圖將趨于更加迅速地在線圈的內(nèi)面上傳遞熱，產(chǎn)生線圈繞組218和低溫保持器/結(jié)構(gòu)元件217差別加熱。如果熱通量過高，這對(duì)組件的操作和壽命有害。在高熱通量的情況下，可以替代地優(yōu)選使用附加線圈繞組，以使磁場的形狀保持與容器形狀共形，而不是相反情況。圖3示出了使用該概念的線圈頭的次半徑橫截面。外線圈頭容器301近似為圓形， 與一個(gè)或多個(gè)介電層302和熱絕緣層303 —樣。主線圈繞組310包括在結(jié)構(gòu)元件305中嵌套在一起的三個(gè)矩形繞組的組。兩個(gè)由超導(dǎo)繞組307和308組成的小“補(bǔ)償線圈”可以在變化的電流值下運(yùn)行，以獲得與外部容器共形的磁場(磁場線在容器表面處與容器平行)， 盡管存在由其它線圈或電流外部施加的磁場。在線圈陣列中，可以優(yōu)選為所有元件采用橢
13圓而非圓形橫截面。在相互緊密鄰近的球形線圈陣列的情況下，這必須特別謹(jǐn)慎。補(bǔ)償線圈必須被剛性支持主線圈和補(bǔ)償線圈的結(jié)構(gòu)支架(brace) 306支撐?，F(xiàn)在參考圖4，示出了具有圖3中所示橫截面的環(huán)形磁體。矩形橫截面線圈繞組 404關(guān)于對(duì)稱軸401對(duì)稱，補(bǔ)償線圈403和402也是如此。結(jié)構(gòu)支架406的陣列維持主線圈和補(bǔ)償線圈的間隔，盡管在它們之間會(huì)產(chǎn)生力。固體結(jié)構(gòu)元件405提供了組件的主要?jiǎng)傂裕?低溫保持器/結(jié)構(gòu)元件407、熱絕緣層408、一個(gè)或多個(gè)介電層409和線圈頭容器410都附接在該元件之上。對(duì)于不關(guān)于軸圓形對(duì)稱的線圈，用于理想磁場共形度的次半徑橫截面不沿線圈長度不是恒定的。圖5A示出了裝配在具有支撐桿502的支撐基礎(chǔ)503上的四個(gè)邊的多邊形線圈頭容器501的剖面圖。線圈繞組507沿磁體長度保持圓形橫截面，低溫保持器/結(jié)構(gòu)元件506和熱層505也是如此。然而，包括一個(gè)或多個(gè)介電層504和線圈頭容器501的外層具有非恒定的橫截面以保持磁場共形度。在通過分割平面509標(biāo)記的橫截面處，優(yōu)選的版圖如圖5B中所示，其中線圈繞組 511的圓形橫截面與其外部容器510的一樣。在通過分割平面508標(biāo)記的拐角處，必須改變版圖以保持場共形度，如圖5C中所示。外部線圈頭容器512的大致圓形橫截面的線圈繞組513的中心朝向線圈的外側(cè) (outboard side)偏移很小的距離515(額外的寬度與圖5C中所示并還與圖5A中所示的定向平面508中的箭頭對(duì)應(yīng)的箭頭的方向相反)。此外，分割平面508的橫截面的內(nèi)側(cè) (inboard side) 514的短部分是平坦的，導(dǎo)致離超導(dǎo)繞組的中心更短的半徑。這兩個(gè)平面之間的橫截面是兩個(gè)極端情況的線性組合，以便沿線圈表面沒有中斷。低溫保持器/結(jié)構(gòu)元件516圍繞并支撐超導(dǎo)繞組513并且還可以提供用于制冷目的的流動(dòng)通道?，F(xiàn)在參考圖6，示出了為緊密鄰近抗磁等離子體601的場共形度設(shè)計(jì)的線圈頭的橫截面。中心超導(dǎo)繞組608的橫截面為圓形，并且如果所述線圈為偶極的，那么會(huì)關(guān)于軸 602對(duì)稱。低溫保持器/結(jié)構(gòu)元件607和熱絕緣606同樣為圓形橫截面，而且與繞組同心。 一個(gè)或多個(gè)介電層604在線圈邊緣沿與等離子體/磁場邊界的表面正交的線偏移并微呈橢圓形，以適應(yīng)相似偏移的場共形線圈頭容器603。如果由抗磁等離子體導(dǎo)致的場線壓縮足夠大，那么線圈的面向等離子體側(cè)上的小的平面部605將被包括以確保與容器的場共形度?，F(xiàn)在參考圖7，示出了本發(fā)明的實(shí)施例的線圈頭、支撐和穿通(feedthrough)的橫截面。圓形超導(dǎo)線圈繞組702關(guān)于軸701對(duì)稱，而支撐按圖1中所示布置。低溫保持器/結(jié)構(gòu)元件703剛性附接到兩個(gè)支撐上的固體支撐柱元件713，并且被附接到其它部分上的容納用于給繞組供給冷卻劑和電能的供給管道705的中空支撐柱元件708。所有的支撐柱上的是熱絕緣層707和介電屏蔽706，它們延伸進(jìn)入用于柱裝配板709的鐘形覆蓋，冷環(huán)710 和暖環(huán)711提供結(jié)構(gòu)剛性，而由低熱傳導(dǎo)性材料組成的熱支座716 (在一個(gè)實(shí)施例中，為具有隔離的鋼加固的表熔氣凝膠(surface fused aerogel))熱隔離冷環(huán)。在供給導(dǎo)管殼體腿上，真空絕緣的穿通元件712包含在冷環(huán)下面通過之后的管道。三個(gè)支撐柱中的一個(gè)容納高壓線714，它既放走由帶電粒子在線圈頭容器上的沖擊而積累的電荷，又用以將線圈頭容器偏置到所需的電勢(shì)(電壓)。使用玻璃纖維電隔離高壓線，并將其埋在介電支撐柱護(hù)甲 706的下面，直至它在點(diǎn)715處離開。圖8A示出了具有與圖1中所示系統(tǒng)類似的輔助冷卻系統(tǒng)的圓形線圈的剖面圖細(xì)節(jié)。線圈繞組801由結(jié)構(gòu)支撐802和支架803支撐，而一系列冷卻劑線805從線圈容器804 提供了接近室溫的冷卻。圖8B中所示的線圈的次半徑的二維橫截面顯示出，此輔助冷卻系統(tǒng)在主熱覆層808的外部，并由此通過降低熱絕緣層外部的平衡溫度降低了絕緣系統(tǒng)上的熱負(fù)載，這降低了熱向線圈繞組內(nèi)部轉(zhuǎn)移的速率。這由位于介電層和外線圈容器809之間的上述類型的穿通線中流動(dòng)的流體805來實(shí)現(xiàn)。在此實(shí)施例中，這些線只位于線圈的底部上面，而根據(jù)入射在線圈頂部上要被轉(zhuǎn)移到冷卻劑的熱通量計(jì)算傳導(dǎo)。這可以通過兩種方式獲得，第一，外線圈容器804在線圈底部要比在線圈頂部厚，導(dǎo)致因下部分的更大的熱容量而加強(qiáng)熱轉(zhuǎn)移。第二，具有非常高的熱傳導(dǎo)率的層806，在一個(gè)實(shí)施例中例如銅，被附接在冷卻劑線上，并延伸向線圈頂部。在其它實(shí)施例中，冷卻劑線可以沿線圈的整個(gè)表面布局， 而非像本實(shí)施例一樣只是在表面的一部分之上。在極端熱通量的應(yīng)用中，可能必須具有多個(gè)輔助冷卻系統(tǒng)，每個(gè)被熱絕緣層隔離。在一個(gè)實(shí)施例中，基于材料考慮，平衡表面溫度可以盡可能的高(對(duì)于鎢大概在2500K左右)，只要充足的輔助冷卻劑系統(tǒng)存在，就可以防止主要絕緣層的外表面超過約70°C (343K)。圖9中的剖面圖細(xì)節(jié)中示出了第二類補(bǔ)償線圈布置。此線圈繞組布置被設(shè)計(jì)為允許產(chǎn)生的磁場和支撐桿之間的部分場共形度，以降低在能量粒子源或等離子體附近被掩蔽時(shí)的支撐柱的介電護(hù)甲上的帶電粒子的沖擊頻率。該主線圈繞組901側(cè)面具有沿支撐柱的軸產(chǎn)生偶極磁場的小螺線管線圈902。小螺線管線圈繞組必須也位于絕緣、介電和冷卻元件之內(nèi)，正如主線圈一樣。存在中空區(qū)域903，以允許用于主線圈的低溫冷卻劑和電源線通過。在另一個(gè)實(shí)施例中，如圖10中所示，提供了一種提供一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)電磁體的電絕緣、熱絕緣和機(jī)械支撐的方法。提供一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)電磁體的電絕緣和機(jī)械支撐的方法 1000包括按任意次序的以下步驟用具有比(1)和O)的乘積還要大的介電強(qiáng)度的介電材料層電隔離超導(dǎo)繞組、繞組殼體、低溫冷卻系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)殼體的步驟1001。在某些方面，
(1)為(i)超導(dǎo)繞組、繞組殼體、低溫冷卻系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)殼體與(ii)圍繞包圍超導(dǎo)繞組、 繞組殼體、低溫冷卻系統(tǒng)的介電材料的導(dǎo)電材料的最外表面之間的電勢(shì)差。在其它方面，
(2)為介電材料的厚度。在上述方法中出現(xiàn)的另一個(gè)步驟中，提供了在腔體內(nèi)通過多個(gè)支撐桿機(jī)械支撐超導(dǎo)繞組、繞組殼體、低溫冷卻系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)殼體的步驟1002，以使(3)電介質(zhì)的最外表面和(4)腔體壁的最內(nèi)表面之間的最短距離大于下面(5)和(6)的商。在某些方面，(5)為(i)超導(dǎo)繞組、繞組殼體、低溫冷卻系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)殼體與(ii)介電材料殼體的最外表面之間的電勢(shì)差。在另一個(gè)步驟中，提供了用介電材料層隔離支撐桿的步驟1003。 在其它各個(gè)方面，(6)是(i)包圍介電材料容器的最外表面并(ii)利用具有比第一電壓和介電層的厚度的乘積大的介電強(qiáng)度的介電材料層隔離支撐桿的媒介的有效介電強(qiáng)度。在如圖11中所示的另一個(gè)實(shí)施例中，一種提供一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)電磁體的電絕緣、 熱絕緣和機(jī)械支撐的方法1100除了圖10中所示所有步驟外還包括提供一個(gè)或多個(gè)高K介電材料的最內(nèi)層的步驟1104。在某些方面，一個(gè)或多個(gè)高K介電材料層可以耦合到用于線圈的結(jié)構(gòu)性支撐結(jié)構(gòu)，該支撐結(jié)構(gòu)同樣作為一個(gè)或多個(gè)用于有效泵抽低溫冷卻劑的液流通道；以及提供一個(gè)或多個(gè)真空沖擊的金屬化的編織的聚合織物包覆，該包覆與包含高反射率、低熱傳導(dǎo)率材料的撓性低密度基于硅石的熱絕緣層耦合。在其它各個(gè)方面，一個(gè)或多個(gè)高K介電材料的介電層可以形成在一個(gè)或多個(gè)上述配置中的其它實(shí)施例中起作用的結(jié)構(gòu)性支撐結(jié)構(gòu)。在圖12中所示的另一個(gè)實(shí)施例中，一種提供一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)電磁體的電絕緣、熱絕緣和機(jī)械支撐的方法1200包括按任意次序的以下步驟將超導(dǎo)線圈與其最外面的容器電隔離的步驟1201和提供圍繞支撐結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)介電層的步驟1202。在圖13的流程中所示的其它方面，可以提供圖10的方法，其中一個(gè)或多個(gè)包圍支撐結(jié)構(gòu)的介電層為低溫容器。在其它各個(gè)方面，一個(gè)或多個(gè)介電層可以自身形成低溫保持器/結(jié)構(gòu)元件。在如圖14中所示的其它各個(gè)方面，可以提供圖10的方法，其中一個(gè)或多個(gè)介電層基本上經(jīng)受住約250000V(250kV)的最大電壓。在如圖15中所示的某些方面，可以提供圖10的方法，其中一個(gè)或多個(gè)介電層具有約0. 5厘米的最小厚度到約50厘米的最大厚度的厚度。在圖16中所示的另一個(gè)實(shí)施例中，提供了用于支撐超導(dǎo)電磁體繞組、繞組殼體和低溫冷卻劑的一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)體電磁體的機(jī)械支撐、電絕緣和熱絕緣的方法1600包括圖 10的步驟而且還包括按任意順序的以下步驟通過提供包圍支撐結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)介電層將超導(dǎo)線圈與其最外面的容器電隔離1601，利用介電材料層電隔離超導(dǎo)繞組、繞組殼體、 冷卻系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)殼體1602，通過多個(gè)支撐桿在腔體內(nèi)機(jī)械支撐超導(dǎo)繞組、繞組殼體、冷卻系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)殼體1603，以及利用介電材料層隔離支撐桿1604。在如圖17中所示的另一個(gè)實(shí)施例中，用于隔離、支撐和絕緣超導(dǎo)繞組、繞組殼體、 冷卻系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)殼體的步驟1700包括通過提供包圍支撐結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)介電層將超導(dǎo)線圈與其最外面的容器電隔離1701，利用介電材料層電隔離超導(dǎo)繞組、繞組殼體、冷卻系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)殼體1702，以及利用介電材料層隔離支撐桿1703。在某些方面，支撐結(jié)構(gòu)可以是支撐桿。在其它各個(gè)方面，腔體可以包括一個(gè)或多個(gè)介電層以形成支撐結(jié)構(gòu)。在如圖18中所示的另一個(gè)實(shí)施例中，用于超導(dǎo)繞組、繞組殼體、冷卻系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)殼體的三-隔離的步驟1800包括機(jī)械支撐一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)繞組、繞組殼體和冷卻系統(tǒng)1801，電隔離超導(dǎo)繞組、繞組殼體和冷卻系統(tǒng)的步驟1802，以及熱隔離一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁線圈1803。在如圖19中所示的實(shí)施例中，圖10的步驟還包括通過一個(gè)或多個(gè)中空柱來結(jié)構(gòu)支撐繞組殼體1904。在某些方面，該方法可以利用包括供給管道可以通過其的腔的結(jié)構(gòu)元件。在如圖20中所示的其它各個(gè)方面，此方法還可以包括按任意順序的用于隔離包括由上半部分和下半部分組成的電介質(zhì)的環(huán)形部分的一個(gè)或多個(gè)層元件的步驟。在如圖21中的流程中所示的其它各個(gè)方面，除了圖20中所示的步驟，本方法還可以包括提供用于利用環(huán)氧溶液處理纖維的方法2105。在如圖22中所示的其它各個(gè)方面，除了圖20中的步驟，此方法可以變化地包括利用硅酸鹽氫氧化物處理纖維的步驟2205。最后，如圖23中所示，提供了一個(gè)可選的實(shí)施例，其中包括熱絕緣一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁線圈的步驟，其中在外層與介電層之間提供了輻射屏蔽層2303。此外，此方法也可以包括按任意順序的步驟機(jī)械支撐一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)繞組、繞組殼體和冷卻系統(tǒng)2301，以及電隔離超導(dǎo)繞組、繞組殼體和冷去系統(tǒng)2302。
在如圖M中所示的另一個(gè)實(shí)施例中，除了圖18中所示的按任意順序的步驟外，一種方法包括以下步驟提供一個(gè)或多個(gè)真空沖擊的金屬化的編織的聚合織物包覆層，該包覆層與包含高反射率、低熱傳導(dǎo)率材料的撓性低密度基于硅石的熱絕緣層耦合。在另一個(gè)實(shí)施例中，用具有三層的超導(dǎo)磁線圈配置設(shè)備。第一層由高K介電材料制成。第二層由真空沖擊的織物包覆制成，該包覆提供一個(gè)或多個(gè)真空沖擊的金屬化的編織的聚合織物包覆層，該包覆層與包含高反射率和低熱傳導(dǎo)率材料的撓性低密度基于硅石的熱絕緣層耦合。第三層由熱絕緣制成。該設(shè)備的超導(dǎo)磁線圈可以具有高K介電材料層， 該層包括在銅基體中甚至由多個(gè)編織的絲和附加接合材料組成的較大電纜中包含的單獨(dú)的絲。優(yōu)選地，此設(shè)備實(shí)施例的另一個(gè)備選具有管中電纜盧瑟福電纜的繞組。這些電纜具有編織在中心銅通道周圍的銅基體中的超導(dǎo)絲。這些外部電纜被絕緣材料、真空沖擊的金屬化的編織的聚合織物包覆層和熱絕緣層覆蓋。在另一個(gè)實(shí)施例中，提供的設(shè)備具有由包括固定在線圈繞組上的上半部分和下半部分的不銹鋼環(huán)形容器構(gòu)成的繞組支撐結(jié)構(gòu)。在其它各個(gè)方面，設(shè)備也可以具有耦合到下半部分上的多個(gè)電源線的一個(gè)或多個(gè)孔，其中一個(gè)或多個(gè)電纜被180度分開。在某些方面， 它也具有與電纜孔同軸的裝配板。最終，實(shí)施例的另一個(gè)方面包括與第一對(duì)柱90度偏移的一個(gè)或多個(gè)附加柱，而柱沿一個(gè)或多個(gè)線圈半徑向下延伸。在本實(shí)施例的此方面的其它各個(gè)方面，繞組支撐結(jié)構(gòu)具有保持在高真空下的金屬化尼龍的一個(gè)或多個(gè)包圍層；由氣密的金屬腔包圍的一個(gè)或多個(gè)層；附加熱絕緣層；以及包覆在片中且通過高強(qiáng)度纖維固定在一起的一個(gè)或多個(gè)納米孔凝膠體的片。在另一個(gè)實(shí)施例中，繞組支撐容納在真空腔體內(nèi)并提供內(nèi)部真空以使包圍繞組的內(nèi)結(jié)構(gòu)元件被密封。此外，繞組支撐結(jié)構(gòu)具有冷卻系統(tǒng)。繞組支撐結(jié)構(gòu)的冷卻系統(tǒng)可以具有高介電特性。繞組支撐結(jié)構(gòu)可以具有其中介電冷卻劑可以泵抽的通道。通道要被蝕刻進(jìn)入固體介電層的外部。繞組支撐結(jié)構(gòu)可以具有由提供介電冷卻劑給線圈頭并通過內(nèi)部支撐柱的中空部分的介電材料組成的管道。繞組支撐結(jié)構(gòu)也可以包括遵循圍繞外部金屬化層的磁場線的輪廓(contour)的次半徑橫截面。優(yōu)選地，繞組支撐結(jié)構(gòu)可以具有擁有微呈橢圓形的次半徑橫截面的線圈。在一個(gè)實(shí)施例中，容納在組件中的超導(dǎo)線圈提供了低溫冷卻、結(jié)構(gòu)支撐、和與周圍介質(zhì)的高勢(shì)電隔離。電隔離由高K介電陶瓷、玻璃或聚合物構(gòu)成，以使的最外金屬層可以相對(duì)線圈繞組保持在高電勢(shì)差下。與基于硅石的“氣凝膠”覆層結(jié)合在一起的真空沖擊的聚脂薄膜包覆提供了具有極其低熱傳導(dǎo)率的熱隔離。最內(nèi)層由用于線圈自身的結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)成， 該結(jié)構(gòu)支撐同時(shí)還可作為用于有效泵抽低溫冷卻劑的液流通道。接下來通過三個(gè)或更多柱支撐環(huán)形線圈頭組件，以提供重力支撐。這些柱是中空的，以提供可以通過低溫冷卻劑和電源管道通過的腔。與環(huán)形線圈頭相反，柱的最外層是厚的介電而非金屬。如果線圈頭的外部要經(jīng)受高熱通量，那么可以引入附加的近室溫冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有介電材料的冷卻劑和供給線，以使線圈頭的外部即使與冷卻劑接觸仍可以保持在高電勢(shì)下，而沒有內(nèi)部電弧放電的風(fēng)險(xiǎn)。在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，超導(dǎo)繞組在圓形橫截面中放射狀纏繞，以提供偶極磁場。繞組本身具有銅基體中的單獨(dú)的超導(dǎo)絲，或者具有由多個(gè)編制的絲和附加的銅接合劑組成的較大電纜。超導(dǎo)絲可以是高溫(HTSC)或低溫(LTSC)類型的。由于HTSC繞組的
17臨界溫度更高，HTSC超導(dǎo)體可以優(yōu)選在實(shí)施例中經(jīng)受更熱的氣流，從而可降低冷卻它們所需的輸入功率。然而，在更高冷卻功率需求的代價(jià)下，LTSC繞組擁有在輻射效應(yīng)下耐久性的優(yōu)點(diǎn)。在LTSC和HTSC絲的情況下，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例使用管中電纜盧瑟福類型電纜的繞組，其中銅基體中的超導(dǎo)絲纏繞在中心銅通道的周圍。此通道被所希望的低溫冷卻劑填充，并被有效泵抽以提供強(qiáng)制冷卻?？赡艿睦鋮s劑包括各種流體，其中包括液氦、液氮、液氫和超臨界的氣體，以及許多諸如此類的流體。這些電纜的外部被例如聚酰胺的耐用的電絕緣體覆蓋。其它實(shí)施例包括被外部泵抽的低溫冷卻劑冷卻的固體繞組，而繞組通過閉路循環(huán)的制冷機(jī)經(jīng)由傳導(dǎo)直接被冷卻。在另一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)特定應(yīng)用的需要，完成的磁體繞組接下來可以在真空浸漬下與環(huán)氧樹脂結(jié)合在一起，或者再次被聚酰胺包覆。在前面提及的實(shí)施例中，此元件為環(huán)形(圓環(huán)形的)，具有延伸幾個(gè)線圈半徑的內(nèi)部冷卻的盧瑟福類型電纜的正和負(fù)導(dǎo)線，以使電能和冷卻劑流可以提供給繞組。在另一方面，在繞組的外部上，下一層由繞組支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成。在一個(gè)實(shí)施例中，這由上半部分和下半部分構(gòu)成的不銹鋼環(huán)形容器組成，它被圍繞線圈繞組栓接或焊接在一起。底下半部分上的兩個(gè)小孔允許用于通過供給導(dǎo)線(冷卻劑和電源)。在優(yōu)選實(shí)施例中， 這兩個(gè)電纜被180度分離。與這些電纜孔同軸的是用于支撐柱的裝配板，而且一對(duì)附加的柱偏離第一對(duì)90度。支撐柱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)元件附接在這里，而且沿一定數(shù)目的線圈的半徑向下延伸。在某些方面，圍繞鋼制支撐結(jié)構(gòu)，可以有多層金屬化的尼龍(聚脂薄膜)。這些要被保持在高真空下，由此提供熱絕緣特性。在一個(gè)實(shí)施例中，該層被氣密的金屬腔包圍，以使該區(qū)域可以被排空到高真空。在另一個(gè)實(shí)施例中，組件可以設(shè)計(jì)為被收納在真空腔體內(nèi)， 并需要用于提供內(nèi)部真空的準(zhǔn)備。注意，在此實(shí)施例中，圍繞繞組的內(nèi)部結(jié)構(gòu)元件是密封的，以使少量的冷卻劑泄漏不會(huì)破壞真空。在其它各個(gè)方面，聚脂薄膜層被附加的例如極高R值的泡沫塑料或“氣凝膠”類型的基于硅石的覆層的熱絕緣層包圍。優(yōu)選的實(shí)施例利用撓性極低密度納米凝膠體的片，如美國專利#20070173157中所述。這些可以被包覆在片中，而且被例如Dyeema或Kevlar的高強(qiáng)度纖維固定在適當(dāng)位置上。在另一個(gè)實(shí)施例中，圍繞熱絕緣層，存在被設(shè)計(jì)為用于電隔離的元件。這些由上半部分和下半部分或撓性電介質(zhì)的多層包覆構(gòu)成的電介質(zhì)的環(huán)形部分組成。對(duì)于最大電隔離，一個(gè)實(shí)施例由熔融硅石(低金屬含量的玻璃)的兩個(gè)半部分組成。這些半部分可以通過多種方法接合在一起，包括將兩個(gè)半部分熔化和壓力焊接到一起。如果采用該方法，在超導(dǎo)材料對(duì)高溫特別敏感時(shí)，要特別當(dāng)心，以免損壞內(nèi)部線圈繞組。在該處理期間，用低溫冷卻劑填充冷卻劑腔是一種用于最小化繞組的熱退化的機(jī)會(huì)的方法。用于接合介電部分的另一種方法包括在氫氧化物溶液中的硅酸鹽的溶解。在另一個(gè)實(shí)施例中，該溶液可被施加到界面，而且經(jīng)過溶液固體的蒸發(fā)，一種固體硅酸鹽結(jié)合物將保留。另一個(gè)實(shí)施例可使用將撓性玻璃纖維圍繞環(huán)形部分纏繞至所需厚度，并接著用環(huán)氧樹脂或硅酸鹽-氫氧化物溶液處理，以密封任何小孔或洞。附加的實(shí)施例可以使用基于環(huán)氧樹脂的電介質(zhì)、陶瓷、或聚合物。當(dāng)聚合物和環(huán)氧樹脂在加熱時(shí)趨于出氣和退化時(shí)，硅石和陶瓷優(yōu)選用于高溫和真空的應(yīng)用。
在另一個(gè)實(shí)施例中，線圈頭的外層為剛性金屬元件，被設(shè)計(jì)為抵抗各種波長的電磁波的影響。無線電、紅外線和X射線，以及中間的波長將被該層大量吸收。拋光外表面將導(dǎo)致增加反射的電磁輻射的量，并增加其黑體發(fā)射率，由此加速冷卻。在另一個(gè)實(shí)施例中，如果外層上的電磁或?qū)α鞯臒嶝?fù)載較高，那么需要另一個(gè)實(shí)施例，將需要包括一個(gè)附加的冷卻系統(tǒng)。為了保持線圈頭的外殼和地之間的電隔離，此冷卻劑必須本身具有很強(qiáng)的介電特性。高度精煉的礦物油、氟化碳?xì)浠衔铮约盎诠柩跬榈纳逃米儔浩髁黧w都可以滿足這些需求。優(yōu)選基于硅氧烷基油，因?yàn)樗鼈儾痪哂邢竦V物油一樣的燃燒的風(fēng)險(xiǎn)。外部金屬元件可以包括其中介電冷卻劑可以被泵抽的小通道，或者通道可以被蝕刻進(jìn)入固體介電層外部，以沿金屬-電介質(zhì)界面提供冷卻。對(duì)于該實(shí)施例，必須注意固體介電材料不會(huì)與介電流體發(fā)生不利的反應(yīng)，像氟化碳?xì)浠衔锖湍承┚酆衔锏那闆r一樣。給線圈頭提供介電冷卻劑的管道向下通過支撐柱的中空部分，具體地講，就是這些管道不會(huì)容納超導(dǎo)電纜導(dǎo)線。此管道也必須由介電材料構(gòu)成，以避免與處于地電勢(shì)的泵抽系統(tǒng)電導(dǎo)通。在另一個(gè)實(shí)施例中，如果希望高通量的例如中子或伽馬射線的中性粒子輻射，該設(shè)計(jì)可并入在外部容器和介電層之間的輻射屏蔽層。這只可以在大裝置上實(shí)踐，其中線圈的次半徑超過10cm。該輻射屏蔽可以是類似鉛的致密金屬的形式，或者是硼化碳-合成物片。在實(shí)施例中，在高通量的帶電粒子的情況下，使外部金屬層的形狀與磁場線共形是有益的。這不僅降低了裝置上的機(jī)械應(yīng)力，而且更重要地是它通過限制場線(場線是帶電粒子回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向中心)終止在金屬表面上的程度降低了帶電粒子的沖擊。對(duì)于單個(gè)隔離的線圈，優(yōu)選的次半徑橫截面是略微橢圓形的，具有面向里朝向線圈的軸的平坦側(cè)面。 對(duì)于線圈陣列或在外部磁場的存在時(shí)，橫截面的幾何結(jié)構(gòu)將響應(yīng)地變化。如上簡述，線圈頭由多個(gè)支撐柱支撐，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)元件是中空的，以提供用于要通過的支撐電纜和導(dǎo)管的通道。該元件被與在線圈頭上出現(xiàn)的熱絕緣和介電層相似厚度的熱絕緣層和介電覆蓋。然而，不存在外金屬層，這允許線圈頭上的金屬容器與組件的其余部分完全電隔離。柱被附接到一對(duì)結(jié)合熱絕緣的套管和伸縮接頭的支撐環(huán)上。這阻止了過度的熱被導(dǎo)向內(nèi)部線圈繞組。下環(huán)被附接到用作結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)以及將組件接附到所需位置的裝置的裝配板上。基于在此提供的公開和教導(dǎo)，本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員將意識(shí)到用于實(shí)施各個(gè)實(shí)施例的其它方式和/或方法。因此，說明和附圖應(yīng)被認(rèn)為是示例性的而非限制的意思。然而，顯然，可以在不脫離如權(quán)利要求中所闡明的本發(fā)明的更廣泛的精神和范圍的情況下對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種修改和改變。
19
權(quán)利要求
1.一種提供一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的電絕緣和機(jī)械支撐的方法，包括以下步驟用一個(gè)或多個(gè)介電材料層包裹所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體并用一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電材料層包裹所述一個(gè)或多個(gè)介電材料層，所述一個(gè)或多個(gè)介電材料層共同具有比(1)和(2)的商大的介電強(qiáng)度，其中⑴是⑴和(ii)之間的最大電勢(shì)差(電壓)，其中⑴為所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體；而(ii)為包裹了包裹所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的所述一個(gè)或多個(gè)介電材料層的所述一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電材料層；并且(2)為所述一個(gè)或多個(gè)介電材料層的共同厚度； 以及為所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體提供機(jī)械支撐，其中每個(gè)磁體與支撐所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)的表面保持一定距離，以使(3)和(4)之間的最短距離大于(5)和(6)的商，其中(3)為所述一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電材料層的最外表面；(4)為支撐所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的所述結(jié)構(gòu)的所述表面；(5)為⑴和(ii)之間的最大電勢(shì)差(電壓)，其中⑴為所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體；而(ii)為包裹了包裹所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的所述一個(gè)或多個(gè)介電材料層的所述一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電材料層；以及(6)為(3)和(4)之間的介質(zhì)(插入物質(zhì))的有效介電強(qiáng)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括通過一個(gè)或多個(gè)磁體支撐裝置將每個(gè)超導(dǎo)磁體連接到支撐所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的所述支撐結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)或多個(gè)所述磁體支撐裝置是導(dǎo)電的磁體支撐裝置，而且其中一個(gè)或多個(gè)所述磁體支撐裝置是中空的，允許一個(gè)或多個(gè)供給管道通過一個(gè)或多個(gè)中空的區(qū)域；以及通過用一個(gè)或多個(gè)介電材料層包裹所述導(dǎo)電的磁體支撐裝置以電絕緣所述導(dǎo)電的磁體支撐裝置，包裹所述一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電的磁體支撐裝置的所述一個(gè)或多個(gè)介電材料層共同具有比(7)和⑶的商大的介電強(qiáng)度，其中(7)是⑴和(ii)之間的最大電勢(shì)差(電壓)， 其中(i)為所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體；而(ii)為包裹了包裹所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的所述一個(gè)或多個(gè)介電材料層的所述一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電材料層；而(8)為包裹所述一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電的磁體支撐裝置的所述一個(gè)或多個(gè)介電材料層的共同厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中每個(gè)超導(dǎo)磁體被通過一個(gè)或多個(gè)磁體支撐裝置連接到支撐所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的所述支撐結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)或多個(gè)所述磁體支撐裝置是介電磁體支撐裝置，以及其中一個(gè)或多個(gè)所述磁體支撐裝置為中空的，允許一個(gè)或多個(gè)供給管道通過一個(gè)或多個(gè)中空的區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括將第一組的一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體連接到第二組的一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體，形成超導(dǎo)磁體的連接的組，所述超導(dǎo)磁體的組與一個(gè)或多個(gè)連接裝置連接，其中所述連接裝置由從由第一材料和第二材料構(gòu)成的組中選擇的材料組成，所述第一材料全部由一個(gè)或多個(gè)介電材料層組成而所述第二材料由被一個(gè)或多個(gè)介電材料層包裹的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電材料層組成；以及，通過一個(gè)或多個(gè)磁體組支撐裝置將所述超導(dǎo)磁體的組連接到支撐所述超導(dǎo)磁體組的支撐結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)或多個(gè)所述磁體組支撐裝置是中空的，允許一個(gè)或多個(gè)供給管道通過一個(gè)或多個(gè)中空的區(qū)域，以及其中所述磁體組支撐裝置由從由第一材料和第二材料構(gòu)成的組中選擇的材料組成，所述第一材料全部由一個(gè)或多個(gè)介電材料層組成而所述第二材料由被一個(gè)或多個(gè)介電材料層包裹的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電材料層組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括通過用從由導(dǎo)電材料和介電材料構(gòu)成的組中選擇的材料的一個(gè)或多個(gè)部件包裹所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)線圈繞組，為所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)線圈繞組提供機(jī)械支撐，所述一個(gè)或多個(gè)部件提供用于所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)線圈繞組的一個(gè)或多個(gè)繞組支撐結(jié)構(gòu)，其中所述繞組支撐結(jié)構(gòu)還提供用于一個(gè)或多個(gè)所述超導(dǎo)線圈繞組的一個(gè)或多個(gè)流動(dòng)通道，允許泵抽的冷卻劑來冷卻一個(gè)或多個(gè)所述超導(dǎo)線圈繞組；以及通過一個(gè)或多個(gè)磁體支撐裝置將所述一個(gè)或多個(gè)繞組支撐結(jié)構(gòu)連接到支撐所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的所述支撐結(jié)構(gòu)，其中所述磁體支撐裝置由從由導(dǎo)電材料和介電材料構(gòu)成的組中選擇的材料組成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括通過用從由導(dǎo)電材料和介電材料構(gòu)成的所述組中選擇的材料的一個(gè)或多個(gè)部件包裹所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)線圈繞組，為所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)線圈繞組提供機(jī)械支撐，所述一個(gè)或多個(gè)部件提供用于所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)線圈繞組的一個(gè)或多個(gè)繞組支撐結(jié)構(gòu)；通過在超導(dǎo)電纜內(nèi)具有一個(gè)或多個(gè)中空區(qū)域的一圈或多圈管中電纜超導(dǎo)電纜構(gòu)建一個(gè)或多個(gè)所述超導(dǎo)線圈繞組；以及用通過所述超導(dǎo)電纜內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)所述中空區(qū)域而泵抽的冷卻劑冷卻一個(gè)或多個(gè)所述超導(dǎo)線圈繞組。
7.一種支撐一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的方法，包括以下步驟以比離支撐所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)的最近的表面遠(yuǎn)20厘米的距離通過一個(gè)或多個(gè)磁體支撐裝置來機(jī)械隔離、并支撐一個(gè)或多個(gè)所述超導(dǎo)磁體。通過用一個(gè)或多個(gè)介電層包裹一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體并用一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電層包裹所述一個(gè)或多個(gè)介電層，將所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體與高電場電隔離，所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體具有一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)繞組、允許所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)繞組被供給冷卻劑的一個(gè)或多個(gè)部件、用于所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)繞組并用于允許所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)繞組被供給冷卻劑的所述一個(gè)或多個(gè)部件的一個(gè)或多個(gè)支撐結(jié)構(gòu)、以及一個(gè)或多個(gè)熱絕緣層；以及
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，還包括通過提供允許在所述一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電層和所述一個(gè)或多個(gè)介電層之間供給介電冷卻劑的一個(gè)或多個(gè)介電部件件，將一個(gè)或多個(gè)電和機(jī)械隔離的超導(dǎo)磁體與高熱熱隔離。
9.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，還包括在用于所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)繞組并用于允許所述一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)繞組被供給冷卻劑的一個(gè)或多個(gè)部件的所述一個(gè)或多個(gè)支撐結(jié)構(gòu)周圍包覆撓性纖維；以及用從環(huán)氧樹脂溶液和硅酸鹽氫氧化物溶液的組中選擇的溶液處理所述纖維。
10.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中熱絕緣一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁線圈還包括在最外的導(dǎo)電層和所述一個(gè)或多個(gè)介電層之間并入輻射屏蔽層的步驟。
11.一種超導(dǎo)線圈繞組支撐結(jié)構(gòu)裝置，包括上半部分，包括從導(dǎo)電材料和介電材料構(gòu)成的所述組中選擇的材料的一個(gè)或多個(gè)層；下半部分，包括從導(dǎo)電材料和介電材料構(gòu)成的所述組中選擇的材料的一個(gè)或多個(gè)層，所述下半部分與所述上半部分耦合；一個(gè)或多個(gè)磁體支撐裝置，耦合到所述上半部分和下半部分，所述上半部分和下半部分二等分包圍一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)線圈繞組；以及一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體，包裹所述一個(gè)或多個(gè)電隔離的超導(dǎo)線圈繞組。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的裝置，還包括用于有效泵抽冷卻劑以冷卻所述線圈繞組的一個(gè)或多個(gè)流動(dòng)通道。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的裝置，還包括耦合到所述下半部分上的多個(gè)供給導(dǎo)線的一個(gè)或多個(gè)孔； 與所述電纜孔同軸的裝配板；以及從第一對(duì)柱偏移的一個(gè)或多個(gè)附加柱，其中所述柱沿一個(gè)或多個(gè)線圈半徑向下延伸。
14.一個(gè)或多個(gè)機(jī)械和電隔離的超導(dǎo)磁體設(shè)備，包括由一圈或多圈的一種或多種超導(dǎo)材料組成的一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體線圈； 用于所述線圈的一個(gè)或多個(gè)冷卻系統(tǒng)；用于所述線圈和所述第一冷卻系統(tǒng)的一個(gè)或多個(gè)支撐結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)或多個(gè)所述支撐結(jié)構(gòu)為殼體；用于所述第一冷卻系統(tǒng)和所述結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)熱絕緣層； 圍繞所述絕緣或所述結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)介電層；圍繞所述介電層的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)電層，其中所述導(dǎo)電層是所述磁線圈頭容器的最外層，與所述低溫容器及其中的部件隔離；與其中并入的輻射屏蔽流體結(jié)合的一個(gè)或多個(gè)近室溫第二冷卻系統(tǒng)；以及一個(gè)或多個(gè)磁體支撐裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的設(shè)備，還包括管中電纜盧瑟福電纜的超導(dǎo)繞組，其中所述電纜的外部被電絕緣材料覆蓋。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的設(shè)備，還包括圍繞中心通道編織的超導(dǎo)線，其中所述電纜的所述外部被電絕緣材料覆蓋。
17.根據(jù)權(quán)利要求11的繞組支撐結(jié)構(gòu)，還包括保持在高真空下的一個(gè)或多個(gè)金屬化尼龍的包圍層； 被氣密的金屬腔圍繞的一個(gè)或多個(gè)層； 附加的熱絕緣層；以及被包裹在片中并通過高強(qiáng)度纖維固定在一起的納米孔凝膠體的一個(gè)或多個(gè)撓性片。
18.根據(jù)權(quán)利要求11的繞組支撐結(jié)構(gòu)，還包括允許繞組保持在真空下的繞組支撐結(jié)構(gòu)的密封的、內(nèi)部結(jié)構(gòu)元件。
19.根據(jù)權(quán)利要求11的繞組支撐結(jié)構(gòu)，還包括其中泵抽介電冷卻劑的通道。
20.根據(jù)權(quán)利要求11的繞組支撐結(jié)構(gòu)，還包括蝕刻進(jìn)入固體介電層的外部的通道。
21.根據(jù)權(quán)利要求11的繞組支撐結(jié)構(gòu)，還包括由介電材料組成的管道系統(tǒng)，其中介電冷卻劑流過所述管道系統(tǒng)到達(dá)所述線圈頭并流過一個(gè)或多個(gè)支撐裝置的一個(gè)或多個(gè)中空的部分。
22.根據(jù)權(quán)利要求14的電隔離的超導(dǎo)磁體，還包括具有這樣的幾何結(jié)構(gòu)和定位的一個(gè)或多個(gè)超導(dǎo)磁體線圈，該幾何結(jié)構(gòu)和定位使由所述一個(gè)或多個(gè)線圈產(chǎn)生的磁場線遵循所述最外的導(dǎo)電線圈頭容器的輪廓。
23.根據(jù)權(quán)利要求14的電隔離的超導(dǎo)磁體，還包括具有基本上呈橢圓形的次半徑橫截面的線圈。
24.一種電隔離的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，包括超導(dǎo)磁體組件，包括一個(gè)或多個(gè)磁體線圈、第一冷卻系統(tǒng)、第一冷卻系統(tǒng)容器、一個(gè)或多個(gè)熱絕緣層和一個(gè)或多個(gè)介電層；與其中并入的輻射屏蔽流體結(jié)合的近室溫第二冷卻系統(tǒng)；最外層的導(dǎo)電容器，與所述第一冷卻系統(tǒng)容器及其中的部件隔離；用于超導(dǎo)磁體組件的支撐結(jié)構(gòu)；傳導(dǎo)電流的超導(dǎo)線圈繞組；用于冷卻所述超導(dǎo)線圈繞組的循環(huán)的流體；耦合到最外層的導(dǎo)電的線圈頭容器的高壓電源；以及電連接到持續(xù)電流開關(guān)和所述超導(dǎo)線圈繞組的低壓電源。
全文摘要
一種超導(dǎo)磁體線圈的電、機(jī)械和熱隔離的方法和設(shè)備的方法包括用于其中在內(nèi)部超導(dǎo)繞組與裝置的外部之間可能存在103V到106V量級(jí)的大電勢(shì)差的環(huán)境的超導(dǎo)磁體。所述方法和設(shè)備也包括絕緣、冷卻和結(jié)構(gòu)元件，以使所述裝置的內(nèi)部能夠維持超導(dǎo)性所需的低溫，即使在整個(gè)繞組殼體上存在高熱通量入射。最后，一種裝置包括用于支撐以抵抗重力和其它施加在組件上的力的結(jié)構(gòu)元件，所述力包括膨脹接合和用于最小化由溫度梯度導(dǎo)致的扭曲或彎曲的穩(wěn)定化。這些支撐包括用于提供電力、低溫冷卻劑和其它到磁體頭的供給線的裝備，同時(shí)還隔離了熱和電影響。
文檔編號(hào)H01F6/06GK102349119SQ200980147205
公開日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2009年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月27日
發(fā)明者丹尼爾·貝特曼, 德夫林·貝克 申請(qǐng)人:磁靜電約束公司