超导元件以及相关的制备方法
阅读：127发布：2021-05-12
专利汇可以提供超导元件以及相关的制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 描述了一种超导元件以及一种用于制备所述元件的方法，所述超导元件包括由非超导材料制成的刚性支座，所述支座包括由包含超导材料的凹槽形成的至少一个超 导轨 道，所述超导材料的 密度 等于其理论密度值的至少85％。本发明还涉及超导元件的可能用途，并且还涉及含有所述超导元件的超导装置。，下面是超导元件以及相关的制备方法专利的具体信息内容。
1.一种超导元件，包括由非超导材料制成的刚性支座，所述支座包括由包含超导材料的凹槽形成的至少一个超导轨道，所述超导材料的实际密度等于其理论密度值的至少
85％，优选等于至少88％。
2.根据权利要求1所述的超导元件，其中所述超导轨道由选自下组材料的超导材料制成：MgB2、FeNdAsO0.85、FeTe0.5Se0.5、Sr2CuO3.4，优选MgB2。
3.根据权利要求1或2所述的超导元件，其中所述超导轨道为
(i)闭合的，优选具有圆形形状和/或
(ii)闭合的或开放的，具有螺旋延伸和/或
(iii)开放的，线性类型和/或
(iv)开放的，具有带状类型和弯曲延伸。
4.根据前述任一权利要求所述的超导元件，包括一个或更多个开放螺旋轨道，所述螺旋轨道镶嵌于扁平支座的相对面上或者沿着圆柱体支座的相对壁，所述轨道通过支座中填充有超导材料的孔连接到一起。
5.根据前述任一权利要求所述的超导元件，其中所述刚性支座的表面和所述凹槽的表面涂敷有电绝缘材料的涂层膜，优选选自下列的材料的膜：MgO、SiO2、Al2O3、NiO、Fe2O3、TiO2、ZnO、ZrO2、Y2O3，或它们的复合物，或者Fe、Ni或Ti的膜。
6.根据前述任一权利要求所述的超导元件，其中制成所述刚性支座的材料选自：非磁性不锈钢、铁/镍合金、镍和镍含量超过50％的镍/铜合金、钛、这些材料与铜的复合物、熔点超过1100℃的金属间化合物、锌碲化合物。
7.根据前述任一权利要求所述的超导元件，其中所述导电轨道的两个点通过具有热超导开关功能的超导丝相连接。
8.一种超导装置，包括根据权利要求1-7任一项所述的第一和第二超导元件，每个超导元件具有至少一个开放轨道，其中所述第一超导元件的第一开放轨道通过一个或更多个超导丝连接到所述第二超导元件的第二开放轨道。
9.一种磁体，包括根据权利要求1-7任一项所述的超导元件。
10.权利要求1-7任一项所述的超导元件的用途为：
-超导系统的电流导线或者电力网络之间的高密度电流传输杆，
-高效电动马达或发电机的磁体，
-限流器，
-积累电能的磁体，
-变压器线圈，
-用于净化废水或从煤尘清除含硫物质的装置中的磁体，
-用于抗磁低温冷却的可变场磁体，
-高效磁感应加热器，
-用于转动系统的极低摩擦力悬浮磁轴承，
-用于材料的磁分离或用于各向异性抗磁物质的定向的高场磁体，
-用于悬浮车辆的超导线性马达，
-用于在磁共振设备中产生静磁场的磁体，
-用于粒子加速器的磁体，
-用于研究核聚变的大尺寸的磁体，
-用于发送和接收微波场的电磁波的天线。
11.一种用于制备根据权利要求1所述的超导元件的方法，包括以下操作步骤：
a)在由非超导材料制成的刚性支座的表面上制作至少一个凹槽；
b)将超导材料的粉末前驱体插入到凹槽中，并且将其压实到实际密度值等于理论密度值的至少50％；
c)定位至少一种固体反应物，使其与前驱体粉末相接触或者使其位置邻近其中含有粉末的凹槽；
d)对反应物和含有前驱体的凹槽加热，直到反应物被液化并且随后渗透到前驱体粉末中，从而在凹槽中形成超导轨道。
12.根据前述权利要求的方法，其中步骤b)包括使用选自下组的超导材料的前驱体填充在步骤a)中于支座上制作的一个或者更多个凹槽：
-硼粉，可能添加有亚微米碳粉、亚微米SiC粉末、或者Mg-Zn或Mg-Co合金粉末；
-Cu-Sr合金粉末和过氧化锶粉末的混合物；
-铁粉和属于稀土族(镧系)的元素的粉末的混合物，镧系元素优选为钕；
-Fe和Te粉末的混合物，可能附加有硫；
-Fe和Se粉末的混合物，可能附加有硫。
13.根据权利要求11所述的方法，其中步骤b)包括使用由机械活化的晶体或无定形硼粉末组成的前驱体填充在步骤a)中于支座上制作的一个或更多个凹槽。
14.根据前述权利要求的方法，其中在步骤c)中，所述反应物是纯度大于99％的晶体金属镁的块体，优选片形。
15.根据前述权利要求的方法，其中步骤d)包括在至少700℃的温度下对插入到支座中的前驱体和密封在容器内的反应物进行至少30分钟的热处理，优选在750℃到900℃之间的温度下持续热处理1-5小时。
16.根据权利要求11所述的方法，其中在步骤c)，所述反应物是以下材料的固体：
-如果前驱体是Cu-Sr合金粉末与过氧化锶粉末的混合物，则所述反应物为过氧化锶，以获得Sr2CuO3.4的超导轨道；
-如果前驱体是Fe和Te粉末的混合物或者是Fe和Se粉末的混合物，则所述反应物为碲、硒、或碲硒合金，以获得FeTe0.5Se0.5的超导轨道；
-如果前驱体是铁和钕粉末的混合物，则所述反应物为As和氧化砷的复合物，以获得FeNdAsO0.85的超导轨道。
17.根据权利要求11所述的方法，其中步骤d)包括在400℃到1100℃之间的温度下对插入到支座中的前驱体和密封在容器中的反应物进行热处理，持续30分钟到30小时之间的可变时间。
18.根据权利要求16所述的方法，其中步骤d)包括对插入支座中的前驱体和密封在容器中的反应物进行热处理，
-为了获得FeNdAsO0.85的超导轨道，在900℃到1200℃之间的温度下，持续30分钟到
30小时之间的可变时间；
-为了获得FeTe0.5Se0.5的超导轨道，在500℃到900℃之间的温度下，持续30分钟到10小时之间的可变时间；
-为了获得Sr2CuO3.4的超导轨道，在400℃到1000℃之间的温度下，持续1小时到20小时之间的时间，随后在氧化或还原气氛中在室温和300℃之间的温度下进行持续时间在
1小时到10小时之间的第二热处理。
超导元件以及相关的制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及超导元件以及相关的制备方法。
[0002] 本发明属于超导材料技术领域。
背景技术
[0003] 在使用超导材料的不同的工业应用中，除特定的电工功能性之外，还必须保证这些材料具有适当的热和机械稳定性特性。
[0004] 在目前工艺水平中，通常以线、厚或薄的条或者块状体(massivebody)形式制备超导材料。通常具有小于1毫米厚度的线和条与由金属或电绝缘类型的非超导材料制成的支座装配到一起。该支座的功能是为了在必要时除适当的电学和热学特性之外还赋予超导材料适当的机械强度特性。然而，超导线或超导条与支座的装配实质上减少了可用于超导电流通过的线或条的截面。在极端情况下，在上述截面与支撑的线或条的总截面之间的比能够跌至低于超导线或条的原始值的20-30％，急剧地减小了输送的超导电流的密度。
[0005] 在文献中还描述了将由超导插入物组成的故障限流器包括到非超导支座中。然而，这些故障限流器的应用领域限于低电流。它们实际上是基于用超导材料(例如多晶形式的超导氧化物)生产的超导插入物，由于晶粒之间的势垒，该超导材料不具有例如还容许用于其它电工应用(例如那些具有高磁场的)的临界电流密度。具体地说，它们的临界电流密度不能够产生可与用普通电磁体或典型的永久磁体产生的磁场通量密度相比较的或者比之更好的经济的磁场通量密度，典型地限于低于1特斯拉的值。
[0006] 与线或条不同，超导电流能够穿过块状体形式的超导材料的整个截面。通常以厚度为不同毫米的板、圆柱、环或管的形式制备它们。当超导材料有延展性时(例如Pb和Nb(在低于9K的温度下为超导材料))，还可以薄层或片的形式制备它们。
[0007] 对于温度高于10K的应用，超导块状体可以由以下物质组成：
[0008] -陶瓷氧化物，例如基于以下元素的的铜酸盐：基于钇和钡(直到大约90K的临界温度Tc都是超导的)或基于锶(例如Sr2CuO3.4，Tc＝95K)或基于铋、锶和钙(Tc＝110K)，[0009] -基于铁的材料，例如FeTe0.5Se0.5(Tc＝13K)或Ba0.6K0.4Fe2As2(Tc＝38K)或FeAsNdO0.85(Tc＝51K)，
[0010] -二硼化镁(Tc＝39K)，
[0011] -金属间化合物，例如Nb3Sn(Tc＝18.7K)、Nb3Al(Tc＝21.3K)或Nb3Ge(Tc＝23.6K)。
[0012] 通常用高致密形式的块状材料获得最好的性能(就临界电流密度而言)，特别是当它们处于高晶体完整性的状态时(单晶状态)。
[0013] 然而，制备高致密形式的、单晶状态的超导块状材料不是轻而易举的。实际上，晶粒的生长和取向过程是一个相当漫长的和复杂的过程，其特别要求在结晶过程期间的精细的温度控制并且使得超导最终产品具有限于几厘米的最大尺寸。
[0014] 在上述以块状形式生产并且具有高于10K的临界温度的超导材料当中，二硼化镁(MgB2)的突出之点在于还能以多晶形式被有效采用。这之所以成为可能是因为在该材料中的超导电流的通过不会受通过晶粒之间边界和颗粒本身取向的较大影响。
[0015] 二硼化镁的进一步的区别性特征是可以高致密形式制备它。
[0016] 然而，类似于临界温度高于10K的其它超导材料，二硼化镁是一种脆性材料，因此也需要足够的机械强化以便允许它能有效地用于其大部分应用。特别是在以存在特别强的电磁力为特征的应用中，足够的机械强度是必不可少的，例如，在用于高磁场的磁体中，所讨论的电流在数千安培的量级并且磁场通量密度通常高于1特斯拉。
[0017] 然而，在大多数应用中，无论哪种超导材料，使用具有相当大厚度(在厘米或更高量级)的块状超导最终产品是不方便的。一方面，这是因为超导电流趋向于只分布在超导最终产品的一部分上(通常在表面上)，以及另一方面，这是因为在其运行期间当存在从超导状态到正常导电状态的转变时，伴有大量热能的瞬时释放，而较大的厚度阻止了超导材料的快速冷却。
[0018] 在目前工艺水平已知的在刚性支座上有插入物的超导装置的进一步的技术问题在于，利用已知的技术并不总是能按期望的形式和尺寸生产这些装置。
[0019] 为了获得特别致密的陶瓷材料的烧结体，并且当这种材料因为热力学的原因阻止其在大气压下自发烧结时，可使用热压致密化技术。这些技术包括在典型烧结温度(该材料的绝对熔化温度的大约3/4)对预压实的陶瓷粉末施加压力以便帮助烧结过程。温度范围通常从700℃到1600℃并且压力可以达到数百大气压。取决于施加压力的过程，可以有a)单轴压缩、b)等静压压缩(isostatic compression)。对于单轴压缩，使用具有粉末容器和通常由石墨制成的压缩活塞的压力机，其可以通过例如感应或用由碳化硅制成的特定电阻器加热。该技术的主要缺点是由于容器的机械阻力，其相当大地限制了要被挤压的块的尺寸。
[0020] 因此，单轴压缩适合于生产在两个空间方向上尺寸差异显著的最终产品(例如，板或片)，使得在垂直于压力施加方向的方向中没有大的变形。
[0021] 等静压压缩使用热气作为用于传递施加于要被烧结的粉末的压力的流体。在插入将要被致密化的块的大的压力密封室中实现等静压压缩，所述块覆盖有金属壳或者一层在高处理温度下变成塑料的玻璃质材料，以便协助压力从气体传递到该块。即使利用该技术，能够生产的超导最终产品的尺寸也限于数十cm。
[0022] 考虑到如上所述的技术限制，显然这些技术在制备具有镶嵌在刚性支座上的超导插入物的装置方面没有多少用处，所述刚性支座由例如金属或陶瓷材料制成，其呈现高机械阻力。具体地说，利用单轴技术无法生产具有非平面几何结构的支座的装置。
[0023] 在材料需要热挤压的情况下，因为如在非平面衬底上的单轴压力的情形下那样，衬底的结构阻止变形直接传递到粉末，所以镶嵌物的形成阻止了把足够的压力简单地施加到粉末。此外，在等静压的情况中，衬底是粉末上的压力传递的巨大障碍，因为只有覆盖镶嵌物的暴露表面上的粉末的材料在垂直于该暴露表面的方向上的变形是有效的。
[0024] 在目前工艺水平下，为了制备包括在刚性支座上的超导插入物的超导装置，还求助于熔融致密化技术。例如，US 5,426,408描述了一侧由导电材料制成且相对侧由绝缘材料制成的扁平支座。插入物由基于氧化铋铜或氧化钇铜的超导材料制成。通过在支座表面上分布超导材料(丝网印刷)以及后续的在超导材料熔点的热处理(熔融致密化)来制备插入物。US 5,426,408还描述了由利用填充有超导材料的支座中的孔彼此连接的多个上述装置组成的超导磁性模块。这些超导连接使第一装置的插入物与第二装置的插入物电接触。然而，US 5,426,408中描述的装置和磁性模块的超导插入物具有很有限的厚度，在50-200μm范围内变化。此外，在基于氧化钇铜的超导体的情况下，在插入物中以及利用上面描述的技术的超导连接中可获得的超导材料的密度最多等于其理论密度的大约70％。这对本领域的专家是熟知的，例如，根据J.O.Willis et al.in IEEE TRANSACTIPONS ONMAGNETICS，Vol.25，No.2，March 1989，2502-2504的公开。
[0025] 文献EP 0503447描述了由非超导刚性支座上的超导插入物构成的超导装置。在这种情况下，还利用所谓的“熔融致密化”技术获得导电的插入物。然而，如已提及的，该技术不能获得具有高密度的超导材料的插入物。因此，在EP 0503447中描述的装置也具有有限的输运高电流密度的能力。
发明内容
[0027] 本发明的第一目的涉及包括由非超导材料制成的刚性支座的超导元件，所述支座包括由含有超导材料的凹槽形成的至少一个超导轨道，所述超导材料的实际密度等于其理论密度值的至少85％，优选等于至少88％。
[0028] 本发明的第二目的涉及制备超导元件的方法，该方法包括下列操作步骤：
[0029] a)在由非超导材料制成的刚性支座的表面上制作至少一个凹槽；
[0030] b)将超导材料的粉末前驱体插入到凹槽中，并且将其压实到实际密度值等于理论密度值的至少50％；
[0033] 为了更好地理解本发明的特征，将参照下列附图进行描述：
[0034] 图1是从根据本发明的超导元件的上面观察的示意表示；
[0035] 图2是封入具有可密封的盖的反应容器中的根据本发明的超导元件的垂直截面的示意表示；
[0036] 图3是从根据本发明的超导元件的另一个实施例的上面观察的示意表示；
[0037] 图4A是包括利用超导丝彼此连接的两个超导元件的超导装置的示意表示，其中所述超导丝连接属于两个不同超导元件的两个超导轨道；
[0038] 图4B是在同一超导元件的两个超导轨道之间利用超导丝的可能的连接模式的示意表示；
[0039] 图5是具有螺旋型镶嵌物的超导元件的示意表示；
[0040] 图6是示例1的超导元件在4.2K下测量的临界电流Ic(以安培表示)关于磁通量密度B(以特斯拉表示)的变化趋势的曲线图；
[0041] 图7A是从包含平行交织镶嵌物的条的形式的超导元件的示意表示的上面观察的平面图；
[0042] 图7B是根据图7A的平面A-A’的截面；
[0043] 图7C是根据图7A的平面B-B’的截面。
具体实施方式
[0045] 参照图1例示的实施例，作为本发明目的的超导元件1由支座2构成，在本例中是一个圆盘，其表面上含有以同心环形式布置的圆形超导轨道3。
[0046] 超导元件1的超导轨道3可以用任何超导材料制造，只要其密度高于或等于其理论密度值的85％即可。密度优选高于88％。优选的超导材料如下：MgB2、FeNdAsO0.85、FeTe0.5Se0.5、Sr2CuO3.4。
[0047] 本发明的一个特别优选的实施例是其中导电轨道包含MgB2作为超导材料的超导元件，因为能以高密度形式、按照比现有技术中其它已知的超导材料更简单的方式制备含有MgB2的轨道，并且这些轨道没有与由于晶界在通常多晶形式中的存在而受限的电流密度相关的问题。
[0048] 出于本发明的目的，术语“高致密”表示密度高于或等于其理论密度值的85％的材料。
[0049] 相对于具有用其它类型的较低致密的超导材料制作的轨道的同样的超导元件，由高致密形式的超导体的薄镶嵌物构成的导电轨道赋予超导元件更高的电流传输特性。此外，更高的密度导致有效轨道的厚度减小，有利于在转变到正常导电状态过程中超导材料冷却得更快和超导流(stream)的破坏性散射更少。
[0050] 具有镶嵌物的超导元件的另一个优点是也可以使用具有镶嵌在支座表面周围的螺旋发展(helicoidal development)的轨道来进行制作。螺旋镶嵌物允许形成模仿编织线的卷绕。当在充电中或随交流使用发生电流瞬变时，超导卷绕的这种形态对减少在具有高磁场的磁体中的不稳定性现象特别有用。
[0051] 具有镶嵌物的超导元件的又一个优点是能以条的形式制作该超导元件，所述条包括彼此交叠的多组平行超导轨道的交叉。例如，可以借助支座的凹槽的形成过程(例如裁剪或激光切割)制作具有超导轨道的条。超导元件的整个制备过程可以连续地实现，并且包括以下连续操作：把前驱体材料填充到凹槽内，定位反应物以及热处理。以这种方式，能制作任何期望长度的条。
[0052] 作为本发明目的的超导元件的支座是由非超导材料制成的、具有任意几何形式的刚性支座。
[0053] 根据超导元件的预定用途选择支座的形式。支座的优选形式是厚度范围从2mm-30mm，优选3-20mm的板、盘、环、条或空心圆柱。无论其形式如何，都能在支座的整个表面上制备凹槽，透过(pass-through)或不透过：在平面支座(例如板形或盘形)的情况下，可以在支座的两个主要侧面(即，在具有较大表面的侧面)上都刻上凹槽；在空心圆柱支座的情况中，可以在腔的内表面和外表面上都镶嵌轨道。在本发明的下面描述中，术语“支座的表面”是指支座的可用于镶嵌凹槽的全部表面。
[0054] 支座的材料是非超导材料，优选具有低电导率、高机械特性和熔化温度比获得超导元件的反应温度高出至少400℃的材料。适于制作支座的材料示例为非磁性不锈钢、铁/镍合金、镍和具有高镍含量(即高于50％)的镍/铜合金、钛、这些材料与铜的复合材料、还有熔点高于1100℃的金属间化合物(例如锌碲化合物)。
[0055] 在预定用于电磁应用的超导元件的大多数情况下，支座的材料必须是非磁性的。在这些情况中，优选使用由AISI 316钢或蒙乃尔型镍铜合金制成的支座。
[0056] 形成支座的材料必须能抵抗为了获得在超导材料条中(即超导轨道中)被定位于凹槽中的前驱体粉末的转变而施加的处理。前驱体到超导材料的转变借助于包括在前驱体和一个或更多个附加反应物之间的高温化学反应的处理而发生。粉末形式的前驱体被插入到凹槽中，并且其它反应物(优选块状体形式)放置在凹槽外处于这样的位置：一旦由于加热发生液化，它们可以与前驱体接触。
[0057] 为了本发明的目的，术语“前驱体”表示粉末形式的固体材料，当这种材料受到适当的物理化学处理时，改变其晶体性质，变得致密并且获得有益于电流通过的超导性质。前驱体还可以是超导材料的第一成分，其通过与第二成分进行化学反应而转变成超导材料。
[0058] 图2示意表示了用于获得根据本发明的超导元件的最终产品的垂直截面。以相对于支座2叠加的固体形式的反应物6(上述转变所必需的)和含有前驱体的凹槽(轨道3)被插入到具有盖5的、密封以实现前驱体到超导材料的转变处理的容器4(反应容器)中。
[0059] 可以通过根据使用的反应物适当地选择支座的材料以及通过在支座2上施加惰性难熔材料的薄涂层膜(图中未示出)来避免支座和前驱体之间或者支座和前驱体转变成超导材料所必需的其它反应物之间的不期望的反应。所施加的膜的厚度优选等于约0.5-20微米。
[0060] 在支座上制作凹槽之后施加涂层膜，使得涂敷支座表面和凹槽的内表面。
[0061] 根据要制作的导电轨道所用的超导材料选择涂层膜的材料。优选使用由氧化物类型的电绝缘材料制成的涂层膜，优选由MgO、SiO2、Al2O3、NiO、Fe2O3、TiO2、ZnO、ZrO2、Y2O3或它们的复合物构成的膜，或者Fe、Ni或Ti的金属型的涂层膜。
[0063] 可以使用现有技术中已知的传统处理技术制作支座表面上的凹槽，例如铣削(milling)、镟制(turning)、切削或电腐蚀镶嵌。可以各种形式和尺寸制作凹槽。在支座上制作的凹槽通常具有等于或大于0.5的深度/宽度(D/W)比，优选大于1，更优选大于2。对于2-20mm范围的支座厚度，凹槽的宽度优选小于或者等于3mm且其深度在1.5-9mm间变化。创建在其线性发展过程具有可变截面的凹槽有时有助于更好地响应超导元件的电磁要求。然而，在结束阶段，超导轨道的深度可以减小到D/W值低于0.5，以满足具体应用需求。
[0064] 超导元件的支座可以具有开放或闭合型的超导轨道。“闭合”轨道是从限定了支座上的闭合线的凹槽开始获得的超导轨道，例如图1的轨道3的凹槽或者图3的轨道3和7的凹槽的组合。
[0065] “开放”轨道是从限定了支座上的开放线(即两端在支座的不同点终止的线)的凹槽开始获得的导电轨道，例如，图3中连接轨道3的点8和9或者点8’和9’的线。在优选实施例中，开放轨道是螺旋状的，即具有螺旋发展。
[0066] 当作为本发明目的的超导元件包括闭合轨道且电流通过所述轨道时，超导元件充当具有随应用的感兴趣时间而相当恒定的磁化的永磁体。
[0067] 当超导元件包括开放轨道且电流通过所述轨道时，超导元件产生与通过轨道的电流强度相关的可变磁场。
[0068] 闭合轨道可以具有任何形式。闭合轨道还可以由位于同一支座的表面的不同区域(例如扁平支座的两个相对侧)中的开放轨道构成，所述轨道通过超导丝彼此连接，或者在支座的两个相对侧的情况下，通过填充有超导材料的支座中的孔彼此连接。填充有超导材料的孔此后也被称作超导过孔。超导过孔连接属于两个不同凹槽的任意两个点。
[0069] 根据本发明的超导元件能同时包含一个或更多个开放和/或闭合导电轨道。
[0070] 在优选实施例中，作为本发明目的的具有闭合轨道的超导元件包含一个或更多个圆形同心轨道(图1)。在第二优选实施例中，超导元件具有镶嵌在扁平支座的相对侧或者沿着圆柱支座的相对壁的螺旋形开放轨道，所述轨道通过两个超导过孔彼此连接。
[0071] 本发明的另一个目的涉及包括第一和第二超导元件的超导装置，每个超导元件具有至少一个开放轨道，其中第一超导元件的第一开放轨道通过一个或更多个超导丝连接到第二超导元件的第二开放轨道。形成超导装置的超导元件的支座可能彼此电连接。
[0072] 超导元件的开放轨道可以通过一个或更多个超导丝彼此连接。通过把丝的末端陷入到插入凹槽中的超导材料的前驱体粉末之间，并且在这些丝存在的时候实现前驱体-超导体转变反应，从而使得这些超导丝与轨道的超导材料集成到一起。具体地说，将要连接的超导轨道可以属于同一超导元件(图4B)或属于不同的超导元件，即形成超导装置(图4A)。在后者的情况下，超导元件可以串联或并联方式彼此连接。
[0073] 为了赋予本发明的超导装置更高的机械强度，超导元件可以通过例如由非超导材料制成的支座之间的连接台彼此连接。同样，为了机械强化连接到超导元件的超导丝，超导丝可以被插入到位于超导元件的同一支座或附加支座上的特定凹槽中。通过把要被液化的反应物的块状体定位在反应容器中的一个点可以把超导丝保持在凹槽中，所述点使得反应物不但能渗透到含有前驱体的凹槽中，而且还渗透到含有超导丝的凹槽中。在前驱体-超导体转变反应结束时，已经渗透到超导丝的凹槽中的液体反应物固化，从而把超导丝牢固地固定到支座。
[0074] 图4A示出了作为本发明目的的超导装置中的两个超导元件的第一连接示例。通过超导丝12连接两个超导元件ES和ES’，该超导丝12把超导元件ES的开放轨道3的末端9连接到位于第二超导元件ES’上的开放轨道3’的末端9’。
[0075] 图4B示出了两个超导元件的第二连接示例。图4B示出通过连接位于同一超导元件ES上的两个开放轨道3和3’的超导丝12而获得的连接。图4A和4B没有示出用于机械强化超导丝的连接台。
[0076] 上述连接仅例示了作为本发明目的的连接两个或更多个超导元件的各种可能方式，因此不能认为是对本发明保护范围的限制。
[0077] 图3例示了根据本发明的超导元件的又一个优选实施例。在图3的超导元件中，通过超导丝13连接同一超导轨道3的两个点8和8’，其中超导丝13充当热超导开关，其由一个或更多个比轨道3薄得多(具有比轨道3的总超导截面小至少20％的总超导截面)的超导丝构成，优选弯曲的并且以抗电感(anti-inductive)模式布置。热超导开关13还可以被具有比轨道3的截面小的适当截面的超导轨道所替换。轨道3还在点9和9’与设置有两个开关10和10’的位于点11和11’的两个外部电流源连接。
[0078] 当热超导开关13较热时(即，其温度高于构成热超导开关13的超导材料的临界温度)，其呈现较高的电流阻抗并且轨道3实际表现得像开放轨道。在这些条件下，通过闭合点11和11’处的电流源的开关10和10’，轨道3可以从外部馈入电流。
[0079] 当热超导开关13较冷时(即，其温度低于临界温度)，轨道3和与其连接的热超导开关13表现得像闭合轨道，从而允许电流无间断地在整个轨道-热超导开关回路上循环。在这种构造中(即，当电流在循环时)，可以通过断开开关10和10’来暂停经由点11和11’处的外部电流源的电流馈入。
[0080] 利用本发明的超导元件能获得的连接的多样性提供了相当大的优势。具体地说，通过两个或更多个超导元件的串联或并联连接(也可能在同一支座上具有两个或更多个超导轨道且彼此连接)，可以制作具有最适合预定的具体应用的拓扑和长度的超导装置。
[0081] 在本发明的优选实施例中，超导元件由具有螺旋镶嵌轨道的支座构成。图5例示了具有螺旋型镶嵌轨道(其在一定数目的螺旋之后闭合)的超导元件的例子。图5的超导元件包括具有矩形截面的环形支座。相对于中心O的穿过环的中轴倾斜的直线形式的轨道(倾斜轨道)镶嵌在矩形的较大表面上。属于支座的两个较大表面之一的倾斜轨道的倾斜度等于偏移角β；属于相对表面的轨道的偏移角等于180-β。倾斜的轨道分别连接两个系1 2
列的点Pi和Pi，这两个系列的点分别沿着半径为r1的支座的内圆周和沿着半径为r2的外
1 2
圆周。为了获得必要的轨道螺旋连续性，点Pi除了与支座的同一表面上的相应点Pi连接之外，还通过超导过孔与支座的相对表面上镶嵌的相应的超导轨道连接。
列的点Pi和Pi，这两个系列的点分别沿着半径为r1的支座的内圆周和沿着半径为r2的外
1 2
圆周。为了获得必要的轨道螺旋连续性，点Pi除了与支座的同一表面上的相应点Pi连接之外，还通过超导过孔与支座的相对表面上镶嵌的相应的超导轨道连接。
[0082] 为了保证轨道的螺旋发展使得以环形均匀地覆盖整个支座并且是闭合的(即螺旋发展的起始点和到达点重合)，图5的角α对着由从支座的两个相对侧上的同一个点1
(图5中的P0)出发的两个轨道和对应的连接过孔构成的单个螺线(spire)，角β限定了轨道相对于环的中轴的取向，角α和上文限定的角β必须满足下列关系：
(图5中的P0)出发的两个轨道和对应的连接过孔构成的单个螺线(spire)，角β限定了轨道相对于环的中轴的取向，角α和上文限定的角β必须满足下列关系：
[0083]1 2
[0084] 可以下列方式表示支座表面上点Pi和Pi的位置。包围整个环的单螺旋的螺线数目被定义为n，且m表示螺旋的整数数目，每个螺旋从前一螺旋偏移重返第一螺旋的起始点* * *所必须的角α。角α 与n和m的关系为：α ＝360/[n*m)]。
1 2
1 2
[0085] 因此，通过轨道连接的每个点Pi和Pi的极坐标P(r，θ)被由此定义为：1
[0086] Pi＝(r1，.(1/2+i/m))，2
[0087] Pi＝(r2，i~m)，
[0088] 其中i＝0，1，2，…，n*m。
[0089] 以倾斜直线形式的轨道连接的各对点之间的距离等于
[0090]
[0091] 在本发明的又一个实施例中，以具有期望长度的条的形式制作超导元件。参照图7A-7C，条形式的超导元件13包括至少三个叠加层。最外面的层14和16由镶嵌有位于凹槽20中的平行超导轨道3(图7A中仅示出了存在于支座上的空凹槽20)的支座构成。支座14和16定位为与中心金属支座15的两个相对侧接触，并且被这样定向，使得第一层14的超导轨道3沿着相对于第二层16的超导轨道的不同方向发展。三个层14、15和16的叠加产生了具有交织超导轨道的超导元件。中心金属支座15具有用于容纳反应物材料的腔
17、适当地布置为将层14的超导轨道与层16的超导轨道连接的连接孔18(过孔)、和三个层的铆点(riveting point)19。
17、适当地布置为将层14的超导轨道与层16的超导轨道连接的连接孔18(过孔)、和三个层的铆点(riveting point)19。
[0092] 如已提及的，本发明的又一个目的涉及制备上述类型的超导元件的方法，所述方法包括以下操作步骤：
[0093] a)在由非超导材料制成的刚性支座表面上制作至少一个凹槽；
[0094] b)把超导材料的粉末前驱体插入凹槽中并且将其压实到实际密度值等于理论密度值的至少50％；
[0095] c)定位至少一种固体反应物，使之与前驱体粉末接触，或者定位于临近含有粉末的凹槽的位置；
[0096] d)对反应物和含有前驱体的凹槽加热，直到反应物液化并且随后渗透到前驱体粉末中并在凹槽中形成超导轨道为止。
[0097] 步骤a)包括在刚性支座的表面上形成至少一个凹槽，在插入前驱体和向超导材料的相关转变之后，所述凹槽形成超导材料的轨道。
[0098] 该方法的步骤b)包括使用超导材料的前驱体填充凹槽并且将其压实。
[0099] 前驱体通常由室温为粉末形式的固体材料构成。其被放置在凹槽中，并且在进行向超导材料的转变反应之前，被压实到其实际密度值等于其理论密度值的至少50％为止。粉末的压实使得能从步骤d)的转变反应获得超导材料，该超导材料完全填充凹槽且密度高于理论值的85％，优选高于88％。
[0100] 出于本发明的目的，实际密度表示粉末质量和插入凹槽中的粉末占据的总体积(包括粉末颗粒之间的空隙)之间的比。
[0102] 超导材料的前驱体的例子为：
[0103] -硼粉，可能附加有亚微米碳粉、亚微米SiC粉末、或者Mg-Zn或Mg-Co合金粉末；
[0104] -Cu-Sr合金粉末和过氧化锶粉末的混合物；
[0105] -铁粉和属于稀土族(镧系)的元素(优选钕)的粉末的混合物；
[0106] -Fe和Te粉末的混合物，可能附加有硫；
[0107] -Fe和Se粉末的混合物，可能附加有硫。
[0108] 一种特别优选的前驱体是机械活化的粉末形式的微晶硼，在液体金属镁存在时，在适当反应条件下，微晶硼可以转变成超导材料MgB2。
[0109] 该方法的步骤c)包括定位至少一种固体反应物(此后也称作固体)，即能与粉末前驱体反应以形成超导材料的化合物。一种或更多种固体被定位于支座上的凹槽上方，与前驱体粉末接触或者位于邻近凹槽的位置，使得一旦这些固体在适当的温度和压力条件下通过加热变成液态，液体反应物能渗透到凹槽中并且与前驱体接触。凹槽中含有的前驱体粉末与液体反应物之间的化学反应形成了超导材料，并且因此在支座中镶嵌了超导轨道。
[0110] 当制备具有Sr2CuO3.4的超导轨道的超导元件时，在步骤b)使用由Cu-Sr合金和过氧化锶粉末的粉末混合物组成的前驱体，并且在步骤c)中固体由过氧化锶组成。
[0111] 当制备FeNdAsO0.85的超导元件时，在该方法的步骤b)使用Fe和Nd粉末的混合物组成的前驱体。在步骤c)所使用的固体反应物块体由AS和氧化砷的复合物组成。
[0112] 当制备具有FeTe0.5Se0.5的超导轨道的超导元件时，在该方法的步骤b)使用由Fe和Te粉末的混合物或者Fe和Se粉末的混合物组成的前驱体。在步骤c)，所使用的固体反应物块体可以由Se、Te或Se-Te合金组成。
[0113] 在密封容器构成的封闭环境中通过使一种或更多种液体反应物渗透到包含于支座的凹槽中的压实的前驱体粉末中来实现步骤d)中发生的化学反应。通常通过把包括支座的整个容器加热到400℃至1100℃范围的温度且持续30分钟至30小时来进行反应，所述支座具有填充有前驱体的凹槽和放置在凹槽外的固体形式的其它反应物。
[0114] 在Sr2CuO3.4轨道的情况下，优选在400-1000℃范围的温度加热并持续1小时至20小时。在该处理之后，在室温至300℃范围的温度和1-10小时的时间内在受控气氛(氧化或还原)下进行进一步的热处理，以达到超导材料的期望的化学计量氧含量。
[0115] 在FeNdAsO0.85轨道的情况下，优选在900-1200℃范围的温度和30分钟-30小时范围的持续时间内进行加热。
[0116] 在FeTe0.5Se0.5轨道的情况下，优选在500-900℃范围的温度和30分钟-10小时范围的持续时间内进行加热。
[0117] 通常在将容器内的空气替换成惰性气体(例如氩)之后密封容器。在一些情况中，例如当要制备超导材料Sr2CuO3.4或FeNdAsO0.85时，密封前不必进行容器气氛的惰性化。
[0118] 为了实现前驱体向具有超导性质的材料的转变(步骤d)，使用具有足够容纳一个或更多个刚性支座和连接不同支座的可能的超导丝的形状和尺寸的反应容器。
[0119] 根据所使用的前驱体类型选择构成容器的材料。容器的材料必须是在步骤d)的操作条件下不与前驱体和其它反应物发生反应的材料。为了获得具有MgB2轨道的超导元件，可以使用能抵抗高达约1000℃温度的任何材料(例如钢，优选不锈钢)来制作容器。
[0120] 再者，为了避免步骤d)期间的不期望的反应，反应容器可以内部涂敷有特定惰性和难熔材料的保护层。为了制作具有Sr2CuO3.4轨道的超导元件，容器必须由能抵抗高达约1100℃温度的材料(例如钢、钛、或基于镍的合金)构成，并且可以通过在氧化气氛中进行表面氧化来获得这些材料的保护。为了制造具有FeNdAsO0.85轨道的超导元件，容器必须由能抵抗高达约1200℃温度的材料(例如钛或不锈钢)构成，并且在这种情况下，容器必须内部涂敷有由SiO2或Al2O3构成的涂层膜。可以使用例如CVD技术施加涂层膜。
[0121] 类似地，如果要获得具有由FeTe0.5Se0.5材料构成的超导轨道的超导元件，涂敷有SiO2薄涂层膜或ZnTe型薄金属间化合物膜的钢可以被用作容器的材料，例如通过对形成该膜的元素进行真空沉积。
[0122] 如已提及的，在本发明一个特别优选的实施例中，超导元件包括含有高致密MgB2的超导轨道。
[0123] 在具有包含高致密MgB2的超导轨道的超导元件的情况中，使用选自以下材料组的材料制作刚性支座：非磁性钢(特别是AISI 304和AISI 316型钢)、铁/镍合金、钛、基于镍和铜的合金(例如蒙乃尔铜镍合金)。支座优选由非磁性钢、钛或蒙乃尔铜镍合金制成。
[0124] 如果电绝缘保护涂层膜在凹槽内和凹槽之间是必需的，其可以真空沉积为氧化物化合物，例如MgO、氧化铁、氧化镍、氧化钛。例如，这可以是使用铜支座的情况。
[0125] 为了制备含有MgB2的导电轨道，该方法的步骤b)包括使用由机械活化的粉末形式的晶体或无定形硼构成的前驱体且可能附加地使用亚微米SiC粉末或亚微米碳粉或Mg-Zn合金或Mg-Co合金粉末来填充在步骤a)中于支座上制作的一个或更多个凹槽。通过例如利用旋转圆柱体在碾磨机中进行碾磨来获得无定形硼的机械活化。这种活化操作减小了晶粒间聚合体的尺寸，使得添加的粉末更好地分散且增大了填充凹槽时的压实粉末的实际密度(即封装密度)。
[0126] 可以通过重复碾磨具有不同毫米的尺寸的晶体硼小薄片(优选使用纯度等于或大于99.4％)来获得机械活化的晶体硼。
[0127] 可以通过在“几乎静止”条件下施加高负荷的压缩(例如油压挤压)，或者在“动态”条件下通过在旋转圆柱体之间的碾磨来实现碾磨。除了获得具有更精细颗粒尺寸(小于100微米，优选小于40微米)的粉末之外，该活化还使得硼晶粒的暴露表面更少地受到杂质(例如氧和湿气)的污染，从而使得粉末对液体镁的渗透性更好，通过液体镁与硼的反应获得MgB2。
[0128] 具体地说，选择活化的晶体硼粉末使得包括平均体积直径范围10-70微米的颗粒。
[0129] 在该方法的步骤b)中，在凹槽中压实机械活化的硼粉末直到实现实际密度高于3
晶体硼的理论密度(斜方六面体晶体硼的理论密度：2.35g/cm)的50％。
晶体硼的理论密度(斜方六面体晶体硼的理论密度：2.35g/cm)的50％。
[0130] 填充凹槽的粉末形状的硼还可以混合物的形式包含数量高达20％镁原子数的金属镁。此外，在该情况中，位于支座凹槽中的前驱体必须满足上面限定的实际密度要求。
[0131] 作为上述硼和镁混合物的替代，前驱体可以由通过机械混合已机械活化的硼粉末和颗粒尺寸小于30微米(优选小于10微米)的MgB2粉末获得的混合物构成。MgB2粉末的摩尔数小于或等于硼粉末的摩尔数，优选低于硼粉末的摩尔数的50％，更优选低于硼粉末的摩尔数的30％。在支座的凹槽中压实的硼粉末和MgB2的混合物的实际密度必须高于3 3
1.2g/cm，优选高于1.4g/cm。
1.2g/cm，优选高于1.4g/cm。
[0132] 为了获得包含MgB2的超导轨道，在该方法的步骤c)中使用纯度大于99％的一块或更多块晶体金属镁。一个或更多个镁块的位置必须使得在后续的步骤d)的操作条件下把镁液化之后，液体镁渗透穿过活化的硼粉末或者穿过上述含有硼粉末的其它混合物，与之反应并且在凹槽中形成含有作为超导材料的MgB2的导电轨道。
[0133] 位于靠近填充有硼的凹槽的一个或更多个镁块的总质量使得原子比Mg/B粉末大于0.5。
[0134] 在优选实施例中，镁块是厚度1-5mm的片状，在凹槽中填充有前驱体之后，镁块相对于支座叠加在一起(图2，片6)。
[0135] 可替代地，还可以使用高纯度镁块、镁与一种或更多种熔点低于镁的金属(例如Ga、Sn、In和Zn)的合金块，所述低熔点金属可以低于一定重量百分比的任何量存在，该重量百分比对应于与多数镁对应的合金的共熔点的成分。
[0136] 使用上述镁合金获得的基于MgB2的轨道的超导性质与使用高纯度金属镁获得的轨道的超导性质类似。
[0137] 使用熔点低于纯镁的熔点的这些合金，允许由超导材料制成的前驱体的转变反应d)发生得更快和/或在更低的温度下发生，因此被证明是减小本发明目的的超导元件的制备方法的成本和减小刚性支座的热膨胀/收缩影响的有用技术。
[0138] 然后，具有填充有超导材料的前驱体的凹槽的刚性支座和一个或更多个镁块一起被转移到之前描述的类型的特定容器中。该容器被密封，以使得其内部包含惰性气体气氛或者具有低于20％原子数的氧含量的气氛。容器内的气压使得保证在后续步骤d)的整个处理过程中镁以液相存在。使用现有技术中已知的技术和装置实现容器的密封。例如，在金属容器的情况中，通过焊接封口盖(图2，盖5)来获得密封。
[0139] 为了制备具有包含MgB2的轨道的超导元件，用于将前驱体转变成超导材料的步骤d)包括在至少700℃的温度下对容器中密封的支座进行热处理。
[0140] 热处理进行至少30分钟的时间。步骤d)优选在750-900℃范围的温度中进行1-5小时。
[0141] 由于容器中存在的气体气氛施加的压力和温度，固体镁(块状体形式或片形式)被液化并且渗透穿过存在于凹槽中的前驱体粉末。液体镁和活化的晶体硼(可能与镁粉末或MgB2粉末混合)之间的反应导致在形成于支座上的轨道中形成超导MgB2的镶嵌。
[0142] 通过对整个容器进行加热(例如在炉子中)实现获得作为本发明目的的超导元件的支座的热处理。
[0143] 在阶段d)处理结束时，容器被冷却且被打开以重新获得具有MgB2轨道的超导元件。
[0144] 然后，清除超导元件上的反应的残余材料，特别是支座上重新固化的液体镁的残余物(或者在轨道超导材料不同于MgB2的情况下，清除其它重新固化的液体反应物)，并且通过镟制、铣削、切削和碾磨操作达到尺寸。
[0145] 作为本发明目的的方法还可以稍加改动来用于制备使一个或更多个超导轨道连接到一个或更多个超导丝的超导元件，使得在超导体的临界温度以下，连接区域的电阻小-8 -9 3于10 Ohm，优选小于10 Ohm，并且连接区域能传输至少10A。在连接中可以使用的超导丝优选为从反应渗透过程得到的中空纤维形式的MgB2丝。专利MI2002A001004中描述了可用于该目的的纤维的示例。
[0146] 为了获得超导轨道和超导丝之间的连接，可能以两种不同的方式操作。在第一模式中，从所述超导丝的末端清除涂敷的非超导材料并且插入到凹槽中，所述凹槽填充有超导材料的前驱体。在第二模式中，从超导丝的前驱体线(即，由与粉末前驱体相同的材料构成的线)的末端清除外部金属壳直到露出前驱体粉末，并且插入到凹槽中，所述凹槽填充有超导材料的前驱体粉末。具有插入到填充有前驱体的凹槽中的前驱体丝或超导丝的支座随后被封闭在反应容器内，所述反应容器中为惰性气体气氛或氧含量低于20％原子数的气氛。在第一制备方法中，反应容器可以具有一个或更多个附加的可密封开口，通过该可密封开口，超导丝凸出支座外的部分可以被穿过。按照这种方式，只有插入到轨道中的丝的部分才受到该方法的步骤d)的处理。
[0147] 上述过程允许制备具有基于MgB2和其它能保证传送高超导电流密度的高密度超导体的轨道的超导元件。
[0148] 作为本发明目的的超导元件具有比可用的最终产品的同样材料、形式和总体积的类似的块状超导体更高的电磁、机械和热学性能。因为超导材料以高密度形式制备，但是具有减小的厚度，所以本发明的超导材料没有在块状体形式的超导材料中通常出现的在表面上的超导电流的散射问题。此外，厚度减小有助于超导材料在使用过程中的冷却。含有基于MgB2的轨道的超导元件的制备还提供了附加的优点：相对于其它形式的超导材料被更简单地实现。
[0149] 本发明的超导元件的又一个优点在具有闭合轨道的超导元件的应用中表现出来，特别适合于获得静态磁场，例如取代经典的永磁体。在这种情况中，与超导块状体不同，可以对超导元件充电而不必使其经受高激发磁场。借助于电流发生器可以更加简单地对该元件进行充电，所述电流发生器像前面描述的那样通过连接到元件的轨道的热超导开关的系统馈入必要的电流。
[0150] 作为本发明目的的超导元件(具有实际上零电阻的超导轨道)的使用还提供了允许制作具有降低了能耗的电磁装置的优点。
[0151] 作为本发明目的的超导元件在广范的各种技术领域都具有许多工业应用。
[0152] 本发明还涉及根据本发明的超导元件的用途：
[0153] -超导系统的电流导线或者电力网络之间的高密度电流传输杆，
[0155] -限流器，
[0156] -积累电能的磁体，
[0157] -变压器线圈，
[0159] -用于抗磁低温冷却的可变场磁体，
[0160] -高效磁感应加热器，
[0163] -用于悬浮车辆的超导线性马达，
[0164] -用于在磁共振设备中产生静磁场的磁体，
[0165] -用于粒子加速器的磁体，
[0166] -用于研究核聚变的大尺寸的磁体，
[0168] 具体地说，在电工领域中，作为本发明目的的超导元件可以用于通过在定子中定位具有开放轨道的超导元件和在转子中定位具有封闭轨道的超导元件来制作高效电动马达或发电机。能使用作为本发明目的的超导元件获得的高磁场允许制作更紧凑和轻便(相对于现有技术当前已知的)的具有相同功率的马达，并且还能更快速地进行加速。
[0169] 利用作为本发明目的的超导元件，还能制备特别有效的限流器(例如，在控制电力网络的故障电流方面)。
[0170] 在环境领域中，废水的净化处理和含硫物质的煤尘的净化可以有益地利用作为本发明目的的超导元件来制作具有几个特斯拉的磁感应的大尺寸永久磁体。
[0172] 示例1
[0173] 按照以下方式制备根据本发明的超导元件。在直径60mm的盘形钢支座表面上通过电腐蚀形成宽0.5-1mm、深4.5mm的凹槽。所述凹槽被形成如下，其使得以螺旋方式在支座上创建开放轨道，所述螺旋从20mm的内径开始直到到达54mm的外径松开(unwind)为7条螺线。所述凹槽填充有由晶体硼组成的前驱体粉末。通过在碾磨机中利用旋转圆柱体进行碾压来机械活化硼粉末。然后用网眼为40微米的筛子过滤由此碾磨后的粉末。所述粉3
末的平均直径为25微米。借助辊把凹槽中的粉末手动压实，直到达到等于1.2g/cm 的实际密度为止。具有填充有压实的粉末的凹槽的支座叠加有纯度99.9％、厚度7mm的金属镁片。
这样获得的支座被转移到钢容器，所述钢容器内部涂敷有一层100微米厚的Nb薄层(总厚度200微米)。各自具有100微米厚度的两个Nb片位于钢容器的底部和盖的下面。在空气中实现支座向容器的转移，并且随后将氩气流通入容器中，之后封闭容器(其内部具有同样的气氛)。在炉子中加热容器至900℃并持续3个小时。一旦冷却，具有MgB2的开放螺旋轨道的超导元件被从容器中取出，在4.2K下通过测量临界电流Ic与所施加的磁通量密度B之间的关系(如图6所示)来确认其超导行为。
末的平均直径为25微米。借助辊把凹槽中的粉末手动压实，直到达到等于1.2g/cm 的实际密度为止。具有填充有压实的粉末的凹槽的支座叠加有纯度99.9％、厚度7mm的金属镁片。
这样获得的支座被转移到钢容器，所述钢容器内部涂敷有一层100微米厚的Nb薄层(总厚度200微米)。各自具有100微米厚度的两个Nb片位于钢容器的底部和盖的下面。在空气中实现支座向容器的转移，并且随后将氩气流通入容器中，之后封闭容器(其内部具有同样的气氛)。在炉子中加热容器至900℃并持续3个小时。一旦冷却，具有MgB2的开放螺旋轨道的超导元件被从容器中取出，在4.2K下通过测量临界电流Ic与所施加的磁通量密度B之间的关系(如图6所示)来确认其超导行为。
[0174] 示例2
[0175] 使用直径70mm、厚8mm的盘形钢支座制备作为超导元件的超导永久磁体，在钢支座的两侧表面上镶嵌两个螺旋凹槽(尺寸：1.5mm宽、2.5-3.0mm深)，所述螺旋凹槽根据等方向趋势以16条螺线从盘的中心发展到外围，即两个螺旋以相同的方向缠绕在支座的法向轴周围。两个凹槽通过位于支座中的直径3mm的两个孔连接，以便使两个中心彼此连接和连接螺旋凹槽的两端。
[0176] 在支座的凹槽和孔中插入与示例1相同的晶体硼粉末，并且手动压实直到实际密3
度达到1.2g/cm 为止。在盘的两侧彼此面对地在支座上定位与示例1所用类型相同的两个镁片。然后，这样制备的支座被插入到钢容器中并且在氩气氛中、在900℃的温度下按照示例1描述的相同过程进行3个小时的热处理。然后从容器中取出具有闭合螺旋轨道的MgB2的超导元件。具体地说，通过过孔超导体串联连接的两个凹槽形成的闭合轨道如下：在其中产生电流的等旋转(equi-rotational)趋势，因此得到等方向磁场。
度达到1.2g/cm 为止。在盘的两侧彼此面对地在支座上定位与示例1所用类型相同的两个镁片。然后，这样制备的支座被插入到钢容器中并且在氩气氛中、在900℃的温度下按照示例1描述的相同过程进行3个小时的热处理。然后从容器中取出具有闭合螺旋轨道的MgB2的超导元件。具体地说，通过过孔超导体串联连接的两个凹槽形成的闭合轨道如下：在其中产生电流的等旋转(equi-rotational)趋势，因此得到等方向磁场。
[0177] 通过把超导元件定位到超导磁体中，在超导元件中感生出即使在关闭激励磁体之后也会保持持续的电流。在超导轨道中感生的电流是这样的，其使得可以在12K温度下、在距离超导元件表面1mm处与两个螺旋之一的中心对应地测量到1.15特斯拉的剩余(entrapped)持续磁通量密度。作为比较，超导材料的MgB2的块状盘具有这样的尺寸，其含有的超导材料的量比目前的超导元件大三倍，在类似的温度和充电类型条件下，保持0.90特斯拉的剩余磁通量密度。
[0178] 示例3
[0179] 由厚8mm、直径60mm的盘形非磁性AISI 316钢支座构成的超导元件具有镶嵌在两个表面上的同心圆形式的19条MgB2的超导闭合轨道，厚0.5mm，直径范围从52mm到10mm，深度3-4mm，且中心圆柱体具有5mm的直径。该超导元件如示例2那样制备，并且在其中心、距离表面1mm处测量其剩余磁场通量密度。在温度21K下表现出1特斯拉的持续磁通量密度。
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