未来的核聚变反应堆、高能粒子加速器、核磁共振等装置需要的磁场强度愈来愈高。REBCO带材作为第二代高温超导材料,其具有高不可逆场、高载流能力和高机械强度的性质,而且REBCO材料已经实现了商业化,制备技术成熟,成本较低,在未来的高场磁体领域中具有极大应用优势。本文中以高场REBCO线圈为研究对象,对其设计分析方法、关键制造技术、性能的测试原理和方法开展了一系列的研究。本文中对不同规格的国产REBCO带材在轴向拉伸下的应力-应变、弯曲性能、各向异性特性和轴向应变下的临界性能开展了实验研究,获得了 REBCO带材的弹性模量、屈服强度、安全弯曲半径、各向异性性能拟合曲线和轴向压缩/拉伸应变极限,为极高场超导磁体的设计提供了关键的材料性能参数。课题的最终目标是研制在15 T背场下能产生20 T中心磁场的REBCO内插线圈。首先通过反复迭代修改和优化分析,确定了 20TREBCO内插线圈的最终电磁参数。接着使用T-A公式对线圈中的屏蔽电流场进行了数值模拟,得到了每饼线圈中屏蔽电流密度分布,并具体分析了在励磁和退磁过程中屏蔽电流对磁场的质量和稳定性的影响。在此基础上,分析了屏蔽电流对线圈应力和应变分布的影响,结果表明屏蔽电流会导致线圈中的局部应力/应变急剧增加,因此在设计中采用了高弹性模量金属带材并绕和外缠绕工艺,以解决在低温高场下20 T内插线圈的应力控制问题。同时基于对线圈的轴向热收缩量和偏心力的分析,成功设计出能够同时补偿内插线圈的轴向热收缩位移、加工及安装偏差的轴向柔性支撑和径向刚性支撑结构。基于研制20TREBCO内插线圈所要面临的技术问题和挑战,开展了技术验证型高场REBCO内插线圈的研制。第一个技术验证型REBCO内插线圈在14T背场下成功产生了 5 T的中心场强,在电流在继续升至469 A时,端部双饼DP 1的最先失超,继而引发了内插线圈失超。第二个技术验证型REBCO内插线圈在14T背场下的测试结果表明,当电流增加到232A时,位于端部的DP1提前发生了超导转变。而当电流升至279A时,所有的双饼都发生了转变,停止励磁,此时最高的中心磁场强度达到24T。通过这两个内插线圈的研制,掌握了 REBCO线圈的高精准绕制技术、内接头的设计及焊接技术、线圈的性能评估等关键技术,同时也验证了国产REBCO带材在高场下的电磁-机械性能。在以上研究工作基础上,开展了 20 T REBCO内插线圈的绕制、组装和测试。利用恒张力、高精度的单饼/双饼绕制技术,成功完成所有饼线圈的绕制,其性能和外径参数满足设计要求。基于结构设计的原理和要点,先后成功完成线圈1、线圈2和整个REBCO内插线圈的组装。在4.2 K及自场下,线圈1中DP3的线性电阻导致局部温度升高,致使其提前发生转变,继而引发了整个内插线圈失超。此时的电流为229A,REBCO内插线圈的最高中心磁场强度达到了 18.8 T。