带诊断拾取线圈的部分绝缘件的制作方法

1.本发明涉及一种高温超导(hts)磁体。尤其，本发明涉及一种用于部分绝缘的hts磁体的部分绝缘层。


背景技术：

2.超导材料通常分为“高温超导体”(hts)和“低温超导体”(lts)。lts材料(诸如nb和nbti)是超导性可以用bcs理论来描述的金属或金属合金。所有低温超导体的临界温度(在该温度之上，材料即使在零磁场中也无法超导)低于约30k。bcs理论并未描述hts材料的性能，并且这种材料可能具有约30k以上的临界温度(尽管应该注意，组成和超导操作方面的物理差异-而不是临界温度-定义了hts和lts材料)。最常用的hts是“铜酸盐超导体
”‑
基于铜酸盐(含有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(例如feas和fese)和二硼化镁(mgb2)。
3.rebco通常被制造为带材，具有如图1所示的结构。这种带材100通常大约100微米厚，并且包括衬底101(通常大约50微米厚的电解抛光哈氏合金)，在衬底101上通过ibad、磁控溅射或其他合适的技术沉积有厚度大约为0.2微米的被称为缓冲叠层102的一系列缓冲层。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，并且通常为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，通常完全封装该带材。
4.衬底101提供机械支撑体，该支撑体可以通过生产线被供应并允许后续层的生长。缓冲叠层102被要求提供双轴织构的晶体模板以在其上生长hts层，并防止元素从衬底到hts的化学扩散，这会损害其超导特性。银层104被要求提供从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)的情况下提供替代电流路径。
5.此外，可以生产“剥离式”hts带材，该剥离式hts带材没有衬底和缓冲叠层，而是在hts层的两侧都有银层。具有衬底的带材将被称为“有衬底”hts带材。
6.hts带材可以布置到hts电缆中。hts电缆包括一个或多个hts带材，hts带材通过传导材料(通常是铜)沿其长度连接。hts带材可以堆叠(即布置成使得hts层平行)，或者hts带材可以具有一些其他的带材布置，带材可以沿着电缆的长度变化。hts电缆的显著特例是单个hts带材和hts配对。hts配对包括一对hts带材，hts带材布置成使得hts层平行。在使用有衬底带材的情况下，hts配对可以是类型0(hts层彼此面对)、类型1(一个带材的hts层面对另一个带材的衬底)或类型2(衬底彼此面对)。包括超过2个带材的电缆可以将部分或全部的带材布置成hts配对。堆叠的hts带材可以包括hts配对的各种布置，最常见的是类型1配对的叠层或类型0配对的叠层以及(或等效地)类型2配对的叠层。hts电缆可以包括有衬底带材和剥离式带材的混合物。
7.通过将hts电缆(或单个hts带材，出于说明目的可以将单个hts带材视为单带材电缆)布置到线圈中或通过缠绕hts电缆或通过提供由hts电缆制成的线圈的部段并将部段拼
连在一起来形成超导磁体。hts线圈分为三大类：
8.·
绝缘的hts线圈，在匝之间具有电绝缘材料(从而电流只能在“螺旋路径”中流经hts电缆)。
9.·
非绝缘的hts线圈，其中，匝径向地并且沿电缆连接(例如通过连接hts电缆的铜稳定层)。
10.·
部分绝缘的hts线圈，其中，通过使用具有高电阻的材料(例如与铜相比)或通过在线圈之间提供间断性绝缘，以受控电阻径向地连接匝。
11.非绝缘的线圈也可以被视为部分绝缘的线圈的低电阻情况。
12.匝间没有绝缘或具有部分绝缘会减慢局部“热点”(正常区域)的温度上升的速度。hts磁体中正常(电阻hts)区域的增长速率(空间传播)取决于许多参数，但在轴向方向上(即沿电缆)通常小于100mm/s，并且在横向方向上(即相邻匝之间)大约慢2至100倍。正常区域在每个方向上的精确的传播速率取决于所用材料和电缆结构的热学和电学特性。尤其，横向传播的速率受匝间材料的热性能影响。
13.在大型磁体(以米标注的线性尺寸，并且其中线圈横截面尺寸比最大线圈总尺寸小(即约小10倍))中，横向传播会导致线圈的整个横截面在覆盖线圈的外围的一小部分的区域中变为正常截面，从而导致所有匝的总电流仅在正常截面内的金属稳定器中流动。在正常区域之外，导体仍处于超导状态。在正常区域之外，导体仍处于超导状态。这种正常区域的电阻不足以导致磁体的电流快速下降，而是导致整个磁体的存储的磁能被转入这种仅围绕线圈外围缓慢增长的小型正常(电阻)体积中。除非这种情况被迅速检测到，以便将磁体的存储的能量被转入线圈外部的电阻中，否则正常区域的温度会非常快速地上升，这很可能对正常区域内的导体造成重大损害。
14.hts磁体的一种应用是在托卡马克聚变反应堆和等离子体室中，尤其是在球形托卡马克中。托卡马克具有两组磁体-极向场线圈，两组磁体-极向场线圈对准以生成一个极向场，并通常是圆形的以及环形场线圈，环形场线圈包括一个中心柱和多个返回臂并被布置以生成环形场。hts磁体可用于任一组场线圈，但尤其可用于小型托卡马克中的环形场线圈，这是因为这种场线圈具有严格的空间限制，hts的增加的电流密度和/或降低的冷却要求对此可以有显著的帮助。
15.hts磁体的另一可能的应用是在质子束治疗装置中。质子束治疗(pbt，也称为质子治疗)是一种在治疗癌症(和其他响应于放射治疗的情况)中使用的粒子治疗类型。在pbt中，一束质子指向治疗位置(例如肿瘤)。
16.另一种类似的治疗是质子硼捕获治疗(pbct)，其中将硼-11引入目标位置，并使用质子束来启动p
11b→
3α反应。可以使用相同的设备，以提供用于pbt或pbct的质子束。
17.用于pbt和pbct的质子束由粒子加速器(如回旋加速器或线性加速器)生成。通常用于pbt和pbct的加速器通常生成能量在60到250mev范围内的质子，目前运行的最大功率的设施具有400mev的最大能量。
18.pbt或pbct装置的设计需要一个台架来保持能够以束能量引导质子的电磁体。这需要非常高的磁场，因此使用hts磁体可以大大减少电磁体以及移动电磁体所需的台架的质量和尺寸。hts磁体可以在加速器、引导磁体的四极磁体或引导磁体的偶极磁体内使用。


技术实现要素：

19.根据第一方面，提供一种用于hts磁体线圈的部分绝缘层。部分绝缘层包括绝缘体401，绝缘体401内具有一组链接轨道和一组拾取轨道。每个链接轨道都是导电的并且电连接到部分绝缘层的第一表面和第二表面，以便在所述第一表面和第二表面之间提供电路径。每个拾取轨道都是导电的并且感应耦合到相应的链接轨道，并且与第一表面及第二表面电绝缘。每个拾取轨道被配置以连接到电流测量装置，以便测量由于在相应的链接轨道中电流流动的变化而在拾取轨道中感应到的电流。
20.根据第二方面，提供了用于hts磁体线圈的部分绝缘层。部分绝缘层包括绝缘体701，绝缘体701内具有一组链接轨道和一组拾取轨道。每个链接轨道都是导电的并且电连接到部分绝缘层的第一表面和第二表面，以便在所述第一表面和第二表面之间提供电路径。拾取轨道是导电的，沿着部分绝缘层的长度延伸，并且与第一表面及第二表面电绝缘。拾取轨道被配置以连接到电压测量装置，以便测量由于hts磁体线圈的hts导体中的电流变化而在拾取轨道中感应到的电压。
21.根据第三方面，提供一种高温超导(hts)场线圈，包括一个或多个hts电缆以及一个或多个部分绝缘层，其中，所述一个或多个hts电缆被布置以形成匝，并且一个或多个部分绝缘层被布置以径向地连接匝，其中，所述部分绝缘层是根据第一或第二方面的部分绝缘层。
22.根据第四方面，提供一种托卡马克，包括作为根据第三方面的hts场线圈的环形场线圈。
23.根据第五方面，提供一种质子束治疗(pbt)装置，包括根据第三方面的hts场线圈，其中，hts场线圈是如下项中的一项：
24.pbt装置的加速器的场线圈；
25.pbt装置的质子束引导系统的偶极或四极磁体。
附图说明
26.图1是hts带材的示意图；
27.图2a至e示出了hts线圈的部分绝缘层；
28.图3示出了说明示例性部分绝缘层的原理的电路图；
29.图4a至f示出了示例性部分绝缘层；
30.图5示出了替代性线圈结构；
31.图6a和6b示出了另一种替代性线圈结构；以及
32.图7a和7b示出了部分绝缘层的替代性构造。
具体实施方式
33.图2a至e示出了部分绝缘层，该部分绝缘层可以应用在hts电缆之间以径向地连接hts电缆。
34.部分绝缘层包括5层，依次为：
35.·
第一金属连接层211；
36.·
第一绝缘层221；
37.·
导电层230；
38.·
第二绝缘层222；
39.·
第二金属连接层212。
40.图2c至e分别示出了第一金属连接层211、导电层230和第二金属连接层222的布局。图2a和b是沿图2c至e中的线a和b的横截面。
41.存在连接层，以提供与hts电缆更好的电连接(通过焊接或直接接触)。
42.导电层分成几个传导区域。这些区域有两种类型。方形区域231(尽管它们在实践中可以是任何形状的)通过传导链接件206仅连接到金属连接层中的一个金属连接层上。这些区域不影响部分绝缘层的电特性，但提供穿过相应绝缘层的热路径。通过改变这些区域的尺寸以及这些区域与金属连接层之间的连接器数量，部分绝缘层的热特性可以独立于电特性而变化。
43.其他区域232均分别经由第一绝缘层221和第二绝缘层222中的窗口201、202将第一金属连接层211连接到第二金属连接层212。窗口之间的电阻可以通过改变区域232的几何形状来控制-例如，在区域232包含如图2b所示的细长轨道233的情况下，增加轨道的宽度将减少窗口之间的电阻，并且增加轨道的长度(例如通过提供非线性轨道，或通过移动窗口)将增加窗口之间的电阻。整个部分绝缘层的电阻可以通过改变窗口之间的每个连接器的电阻以及通过改变沿部分绝缘层的这种连接器的数量来控制。
44.第一绝缘层中的窗口201是通过穿过第一连接层和第一绝缘层的钻孔形成的，然后给钻孔镀上金属203(或其他导电材料)以连接第一连接层211和导电层230。第二绝缘层中的窗口202是通过钻探穿过所有层的孔202形成的，然后给该孔镀上金属204(或其他导电材料)。为了防止穿过第二绝缘层的窗口202与第一连接层形成连接，在窗口202周围蚀刻第一连接层以将其电绝缘，并在窗口202的端部放置绝缘帽205以确保不会因与hts电缆的焊接或接触而发生桥接。
45.作为替代，窗口202可以改为从部分绝缘层的另一侧被钻探，使得窗口202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。作为另一替代，所有窗口都可以由穿过所有层的孔形成，第二连接层和第二连接层上的绝缘帽的刻蚀用于第一绝缘层的窗口201。
46.在共同待审的申请pct/gb2019/050275中进一步描述了实施方式和相关示例。
47.与等效的非绝缘线圈相比，使用部分绝缘将显著延长用于检测失超的可用时间。然而，仍然需要足够快的失超检测方法来适时检测线圈中形成的热点，以便在磁体损害变得不可避免之前可以采用对策。
48.当线圈的部分hts电缆中的电流接近hts电缆的临界电流时，一些电流将离开hts并开始流经电缆的稳定剂层。此时，电流将开始流经形成hts匝之间的部分绝缘件的电阻和感应链接件。pcb制造的部分绝缘件有助于精确地布局和设计链接轨道，允许精确地设置匝间电阻和链接轨道感应。
49.本公开集中于检测该电流流动，并且使用该检测来检测电流共享何时开始在hts磁体中发生。这种电流共享模式的检测可以用作失超(或可能的失超-如本文所述，“失超检测”包括对即将发生的失超或很可能导致失超的情况的检测)的提前警示。
50.原理如图3所示，图3是示出部分绝缘层的电路图。部分绝缘层具有第一轨道或“链
接轨道”301，“链接轨道”301在部分绝缘层的任一侧上连接hts电缆311、312(等效于图2中的轨道233)。部分绝缘层还具有第二轨道或“拾取轨道”302，该“拾取轨道”302与hts电缆311、312电绝缘并且感应耦合到第一轨道(由变压器303表示)。第二轨道302连接到电流监测器304。请注意，虽然电阻器和变压器在图3中分开显示，但在下面的示例中，电阻和感应耦合是由于轨道本身的长度和形状而引起的-即，电阻器和变压器不需要作为单独的组件被提供。
51.由于第一轨道和第二轨道之间的感应耦合，第一轨道的电流中的任何变化(例如由于失超)将导致第二轨道的电流中的相应变化。这随后可以由电流监测器检测，并且来自电流监测器的测量结果可以被磁体的控制器使用以检测失超。
52.可以使用各种改变来提高失超检测的灵敏度。例如，链接轨道和拾取轨道可以被塑形以提供更大的感应耦合，例如作为共享公共轴线的线圈。可以提供多个拾取轨道(每个拾取轨道对应于单独的链接轨道)，并且多个拾取轨道彼此并联连接并连接到电流监测器，使得电流监测器测量在所有拾取轨道中感应到的总电流。
53.图4a至f示出了实施图3的电路的示例性部分绝缘层。部分绝缘层包括11层，其中有6层包含导电元件，每层由绝缘层401(绝缘层401可以是其上印刷有导电层的绝缘体，例如kapton
tm
带材，或绝缘粘合剂)隔开。包含导电元件的层依次为：
54.·
第一金属连接层410，如图4b所示。
55.·
链接轨道层420，如图4c所示。
56.·
拾取轨道层430，如图4d所示。
57.·
拾取轨道连接层435，如图4e所示。
58.·
第二金属连接层440，如图4f所示。
59.图4a是沿图4b至f中的线a-a的横截面。
60.第一金属连接层410和第二金属连接层440与用于前面示例的那些金属连接层基本相同-即，将第一金属连接层和第二金属连接层放在适当的位置以促进与hts电缆的电连接。
61.链接轨道层包含多个链接轨道421，这些链接轨道421在该示例中形成为具有尾部423的螺旋体422。螺旋体422的中心连接到传导链接件402，传导链接件402延伸穿过绝缘层以将链接轨道421连接到第一金属连接层，并且尾部423的另一端部连接到传导链接件403，传导链接件403将链接轨道421连接到第二金属连接层。与前面的示例相同地，传导链接件可以形成为涂覆有金属的孔。
62.拾取轨道层430包含对应于每个链接轨道421的拾取轨道431。每个拾取轨道都是与相应的链接轨道421尺寸相同的螺旋体，并且直接位于链接轨道421下方。通过传导链接件404(其将螺旋体的内部连接到拾取轨道连接层435中的轨道436)和传导链接件405(其将轨道436连接到走线轨道433)，每个拾取轨道在螺旋体的外部处连接到走线轨道432，并且经由螺旋体的内部连接到走线轨道433。
63.拾取轨道431与走线轨道432、433的连接确保了拾取轨道431并联连接。这意味着，当走线轨道432、433经由电流表(未示出，但走线轨道具有延伸到层的边缘的盘434，以允许连接到部分绝缘层的其他部段的走线轨道或连接到电流表)连接时，电流表所测量的电流将是拾取轨道中的电流的总和。
64.链接轨道层和第二金属连接层之间的传导链接件403也穿过拾取轨道层和拾取轨道连接层，但是传导链接件403不与那些层中的其他元件电连接。
65.为了避免干扰，链接轨道和拾取轨道应该被布置成使得它们不会显著耦合到磁体的磁场，例如垂直于局部磁场的横截面可以忽略不计。这可以通过将链接轨道和拾取轨道置于部分绝缘层的平面中来实现，如上述示例所示，但是其他定向也是可能的。
66.图5示出了链接轨道的替代性布置(也可以应用于拾取轨道)。代替提供如图4c中的弯曲螺旋线圈，提供链接轨道层520(可以替换成链接轨道层420的设计)中的链接轨道是方形线圈522。
67.图6a和6b示出了链接轨道的另一种替代性布置。图4a的链接轨道层420由第一链接轨道层620和第二链接轨道层625替代。链接轨道形成为“8字形”图案的“蝶形线圈”。由于该图案包含轨道会相互交叉的区域，所以应该将其布置在两层中以避免短路-图6a和6b中示出了一种这样的布置，在层620上设置蝶形线圈622的主要部分并且在单独层625上设置交叉轨道626，在交叉轨道和蝶形线圈的主要部分之间具有传导链接件627。避免短路的其他布置是可能的并且可以由技术人员容易地想到。
68.图4至6中的线圈设计仅作为示例。导致拾取轨道对链接轨道的电流变化敏感的任何布置(即，指示性地耦合到连接轨道)可以用于检测穿过部分绝缘层的电流泄漏。
69.图7a和b中示出了替代性设计。图7示出了部分绝缘层701，包括：
70.·
第一金属连接层(与图2a至e中的层211相同)；
71.·
链接轨道层(与图2a至e中的层230相同)；
72.·
拾取轨道层710；以及
73.·
第二金属连接层(与图2a至e中的层212相同)。
74.与前面的示例中相同地，这些层由绝缘层701隔开。
75.拾取轨道层710包括拾取轨道711和感应链接件712，拾取轨道711沿线圈延伸，以便与hts磁体的螺旋路径耦合，感应链接件712将链接轨道层连接到外部接口层(不连接到拾取轨道)。拾取轨道711在每一端部上具有连接盘712，连接盘712然后连接到电压表。拾取轨道711非常靠近线圈导体并且将与线圈导体感应耦合。在线圈上出现的电压也将出现在该共绕轨道上，并会由电压表检测到。可以沿着部分绝缘层的长度提供其他连接盘，允许连接盘易于批量制造，并且然后根据磁体的需要切割成一定长度(即，确保连接盘在部分绝缘层的端部处可以是可用的，而无论hts线圈的尺寸如何)。
76.上述部分绝缘层可以使用柔性pcb制造工艺制成，即从绝缘层中的一个开始，将铜施加到其上表面和下表面，并蚀刻铜以形成两个相邻的导电层。可以通过将更多绝缘层和铜层施加到叠层(其中，绝缘层可以是用于将下一个铜层粘合到叠层上的粘合剂)并且然后进行蚀刻，或通过将更多的“铜-涂覆物和经蚀刻的绝缘层”粘合在一起(例如，以形成“铜-绝缘体-铜-粘合剂-铜-绝缘体-铜”结构)来增加更多层。可以穿过适当的铜和绝缘层钻孔而形成过孔，并且然后将该过孔涂覆铜以提供铜层之间的连接器(即上述示例的传导链接件)。如果过孔穿过不应该与其电连接的层，则可以蚀刻该层的过孔周围的区域以确保过孔和层的导电组件之间的清晰绝缘空间。当这发生在外层(例如金属连接层410、440)上时，可以将绝缘帽固定到过孔的端部，以防止由于焊接或连接到hts电缆而导致短路。
77.虽然上面提到了线圈的单个“部分绝缘层”，但可以理解，这可以由首尾相连的几
个部段组成，或者在拾取轨道层之间有连接，或者有用于拾取轨道层的每个部段的单独的电流检测器(或某种组合-例如用于每n个部段的电流检测器)。
78.部分绝缘层可以具有与hts带材相同的宽度。缠绕hts扁平线圈的方法可能涉及从多个线轴中拉出hts带材，以形成许多带材的“电缆”，这些带材聚集在线圈处。部分绝缘层将与多带材电缆一起被供给，以形成缠绕的部分。最终的线圈结构将是与部分绝缘层交织的多带材电缆。带材和部分绝缘层外表面是用流体预湿的，然后用焊料浸没来巩固缠绕包。随后清洁线圈表面，以确保焊桥不会从匝间绕过部分绝缘层。
79.一旦缠绕并巩固，线圈的外径上的部分绝缘层的端部就被稍微向后剥离，以便一对细线就可以在拾取线圈层的端部处附接到接触盘。这对双绞线连接到电流换能器，该电流换能器用于检测在泄漏绝缘中电流流动的信号。
80.应当理解，可以在不脱离本公开的原理的情况下以简单的方式修改以上示例(即，设置拾取轨道，该拾取轨道感应地耦合到hts线圈或通过部分绝缘层的电阻路径)。例如，可以省略部分绝缘层的外表面上的连接层，而直接通过传导链接件进行连接轨道层和hts电缆之间的连接，或者部分绝缘层可以具有设置在固体绝缘体内的链接轨道和拾取轨道，而不是上面介绍的多层结构。