直短樣超導(dǎo)線多角度場(chǎng)臨界電流測(cè)試樣品桿的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及大型超導(dǎo)磁體領(lǐng)域，尤其涉及一種直短樣超導(dǎo)線多角度場(chǎng)臨界電流測(cè)試樣品桿，用于低溫和高溫超導(dǎo)線直短樣在多角度背景磁場(chǎng)下的臨界電流測(cè)試。
【背景技術(shù)】
[0002]大型超導(dǎo)磁體是全超導(dǎo)可控磁約束聚變堆的關(guān)鍵，其主要功能是將超高溫等離子體約束在磁容器中，實(shí)現(xiàn)受控核聚變反應(yīng)。在ITER設(shè)計(jì)中，磁體均采用NbTi和Nb3Sn低溫超導(dǎo)材料。對(duì)實(shí)驗(yàn)堆的研究表明裝置越大、磁場(chǎng)越高，越容易實(shí)現(xiàn)可控聚變反應(yīng)和發(fā)電，未來(lái)示范堆和商用堆運(yùn)行參數(shù)(功率>2GW，磁場(chǎng)>15T，電流>100kA，承載>150噸/米)遠(yuǎn)高于目前ITER設(shè)計(jì)參數(shù)。受低溫超導(dǎo)線材上臨界磁場(chǎng)的限制，采用傳統(tǒng)低溫超導(dǎo)材料不可能制備出超過(guò)22T的磁體，繞制更高磁場(chǎng)的磁體要求材料在超過(guò)20T的磁場(chǎng)中仍能夠保持較高臨界電流密度。因此，尋求具有更為優(yōu)良綜合性能的超導(dǎo)材料和高場(chǎng)磁體是未來(lái)可控磁約束聚變示范堆和商業(yè)化過(guò)程中必須解決的問(wèn)題。陶瓷氧化物高溫超導(dǎo)材料因其在4.2K下具有極高的不可逆場(chǎng)和優(yōu)異的磁場(chǎng)載流特性，因此是建造高場(chǎng)磁體的理想材料。在高溫超導(dǎo)材料中，Bi2Sr2CalCu20X(B1-2212)是唯一可制備成各向同性圓線的材料，其在4.2K即使外場(chǎng)高達(dá)45T依然能夠承載具有實(shí)際應(yīng)用意義的工程電流密度，因此是目前最具高場(chǎng)下O20T)應(yīng)用前景的高溫超導(dǎo)材料。
[0003]在設(shè)計(jì)和制造1KA實(shí)驗(yàn)用CICC導(dǎo)體之前，需要對(duì)Bi2212線材的性能進(jìn)行詳細(xì)的研究，包括常溫和低溫下的力學(xué)性能，電磁學(xué)特性以及應(yīng)變對(duì)其超導(dǎo)性能的影響等，因?yàn)閷?shí)用導(dǎo)體工作在較為復(fù)雜的高背景場(chǎng)中。因此，研究背景磁場(chǎng)強(qiáng)度和角度對(duì)超導(dǎo)線臨界電流的影響可以為今后設(shè)計(jì)電纜和導(dǎo)體提供重要的數(shù)據(jù)。
[0004]目前實(shí)驗(yàn)用Bi2212超導(dǎo)線采用粉末裝管法(PIT)加高氧分壓熱處理技術(shù)制備而成。熱處理后的Bi2212超導(dǎo)線線芯材料的力學(xué)特性接近陶瓷，如果受力或變形較大會(huì)使芯部斷裂，對(duì)其性能影響較大，所以在測(cè)試過(guò)程中要盡量避免股線受到?jīng)_擊或變形。
[0005]超導(dǎo)線臨界性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，采用四引線法進(jìn)行測(cè)量。
[0006]實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括:不同磁場(chǎng)下4.2K時(shí)超導(dǎo)線的臨界電流和η值測(cè)試。
[0007]測(cè)試樣品浸泡在液氦中進(jìn)行通電實(shí)驗(yàn)，需要設(shè)計(jì)一套可靠的樣品桿，固定測(cè)試超導(dǎo)樣品，并在一定的背景磁場(chǎng)中給樣品通入直流電流，測(cè)試樣品臨界電流。
[0008]目前國(guó)際上各個(gè)低溫實(shí)驗(yàn)室采用的超導(dǎo)線臨界性能測(cè)試樣品桿結(jié)構(gòu)不盡相同，為了能夠安全、準(zhǔn)確、可靠、高效的測(cè)量超導(dǎo)線的臨界性能，樣品桿設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮以下幾占.V.1、樣品易于拆裝；
2、低溫下樣品骨架接觸電阻??；
3、電流引線優(yōu)化設(shè)計(jì)；
4、放入樣品桿時(shí)電流引線易于冷卻以節(jié)省液氦；
5、更換樣品時(shí)樣品桿易于干燥； 6、可靠的電絕緣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明目的就是為了彌補(bǔ)已有技術(shù)的缺陷，提供一種直短樣超導(dǎo)線多角度場(chǎng)臨界電流測(cè)試樣品桿，用于固定測(cè)試超導(dǎo)樣品，并在一定的背景磁場(chǎng)中給樣品通入直流電流，測(cè)試樣品臨界電流。
[0010]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種直短樣超導(dǎo)線多角度場(chǎng)臨界電流測(cè)試樣品桿，其特征在于:包括有兩根電流引線，兩根電流引線外套設(shè)有環(huán)氧護(hù)套，環(huán)氧護(hù)套的一端安裝有密封法蘭，環(huán)氧護(hù)套的兩端內(nèi)壁中分別設(shè)有膠木支撐環(huán)，環(huán)氧護(hù)套的兩端內(nèi)壁與兩根電流引線的外壁之間填充有低溫環(huán)氧膠，兩根電流引線均伸出環(huán)氧護(hù)套之外，沒(méi)有安裝密封法蘭的一端的兩根電流引線與兩根下端電流引線連接，兩根下端電流引線的另一端固定在環(huán)氧支撐板上。
[0011]所述的電流引線為無(wú)氧銅電流引線，下端電流引線由無(wú)氧銅和Nb3Sn超導(dǎo)線組成。
[0012]所述的環(huán)氧支撐板的一端活動(dòng)安裝有可拆卸的圓形活動(dòng)板，兩根下端電流引線的一端即固定在所述圓形活動(dòng)板上。
[0013]結(jié)構(gòu)說(shuō)明:
1、密封法蘭，實(shí)驗(yàn)時(shí)與磁體杜瓦連接；
2、低溫環(huán)氧膠，防止氣化的氦氣沿著電流引線泄漏，在低溫下也具有良好的絕緣和密封作用；
3、兩膠木支撐環(huán)為樣品桿支撐部件；
4、環(huán)氧護(hù)套，一面保護(hù)電流引線，同時(shí)起到支撐作用，另外為蒸發(fā)的冷氦氣提供回氣道，放入樣品桿和實(shí)驗(yàn)室冷卻電流引線，節(jié)省液氦；
5、用于與樣品連接的無(wú)氧銅電流引線，電流引線橫截面經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通流能力達(dá)到1000A ；
6、下端電流引線，由無(wú)氧銅和Nb3Sn超導(dǎo)線組成，起到傳輸電流和放置樣品的作用；
7、環(huán)氧支撐板，樣品通過(guò)電流時(shí)，在磁場(chǎng)的作用下會(huì)受到洛侖茲力作用，在確定電流方向后，洛侖茲力的方向指向環(huán)氧支撐板，這樣環(huán)氧支撐板就起到了支撐作用，防止樣品在洛侖茲力的作用下，發(fā)生偏折。另外，環(huán)氧支撐板也起到了固定下端電流引線的作用，保證電流引線在運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。環(huán)氧支撐板上的圓形活動(dòng)板是可以拆卸的，這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是為了變換樣品角度時(shí)，最大程度上避免樣品在拆卸是受到觸碰或者彎折。最大程度上保護(hù)樣品不受損傷。
[0014]本發(fā)明的工作原理是:
設(shè)計(jì)的樣品桿要可以對(duì)超導(dǎo)線軸向和磁場(chǎng)夾角范圍從O度到180的情況下進(jìn)行臨界電流測(cè)量。
[0015]被測(cè)試短樣固定在樣品桿下端電流引線和環(huán)氧支撐板上。放置在液氦槽中和平行于樣品架的軸線磁場(chǎng)(螺線管)中。電流方向的選擇要使超導(dǎo)線短樣所受的安培力指向于環(huán)氧支撐板一側(cè)，以免短樣受到過(guò)大的安培力而產(chǎn)生較大的形變，或從樣品桿上脫落，掉入磁體中。
[0016]由于采用4引線法測(cè)試臨界電流，須在短樣上焊接間隔20-40mm的電位線采集電壓信號(hào)，因此超導(dǎo)線短樣的長(zhǎng)度要3 40_。
[0017]磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的分辨率要優(yōu)于20mT，其絕對(duì)準(zhǔn)確度要優(yōu)于1%。
[0018]電流測(cè)試的分辨率必須優(yōu)于0.1A，絕對(duì)準(zhǔn)確度優(yōu)于0.5%。
[0019]測(cè)試裝置包括提供背景場(chǎng)的磁體系統(tǒng)，樣品桿，低溫容器，電源設(shè)備以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。
[0020]提供背景場(chǎng)的磁體為螺旋管型超導(dǎo)混合磁體，內(nèi)、夕卜線圈分別由Nb3Sn和NbTi線繞制?？讖綖?0_，其中心磁場(chǎng)最高可達(dá)16T，中心處直徑、高度均為10_的圓柱內(nèi)的磁場(chǎng)均勻度高達(dá)2.3X10 4O
[0021]磁體同時(shí)并聯(lián)了一個(gè)超導(dǎo)開(kāi)關(guān)，磁場(chǎng)穩(wěn)定時(shí)磁體處于閉環(huán)運(yùn)行模式，并浸泡在液氦中，以保證實(shí)驗(yàn)時(shí)磁體系統(tǒng)更穩(wěn)定。
[0022]本發(fā)明的有益效果在于:
本發(fā)明在超導(dǎo)股線低溫性能測(cè)試中發(fā)揮了重要作用，其中環(huán)氧護(hù)套提供氦氣回路，冷卻電流引線，節(jié)省了大量液氦；環(huán)氧護(hù)套內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)易于干燥，使得更換樣品的時(shí)間大大縮短，不會(huì)發(fā)生樣品桿表面凝結(jié)水放入液氦杜瓦后結(jié)冰的現(xiàn)象；下端環(huán)氧支撐板可以防止測(cè)試樣品在背景磁場(chǎng)中通電受洛侖茲力作用產(chǎn)生變形，以及調(diào)整樣品和背景磁場(chǎng)的加角。
[0023]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
本發(fā)明適用于超導(dǎo)股線性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)類似結(jié)構(gòu)，本結(jié)構(gòu)在低溫下可靠接觸，并可以通入大電流，更換樣品時(shí)操作簡(jiǎn)易，不會(huì)損傷超導(dǎo)線。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2為環(huán)氧支撐板的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]如圖1、2所示，一種直短樣超導(dǎo)線多角度場(chǎng)臨界電流測(cè)試樣品桿，包括有兩根電流引線5，兩根電流引線5外套設(shè)有環(huán)氧護(hù)套4，環(huán)氧護(hù)套4的一端安裝有密封法蘭1，環(huán)氧護(hù)套4的兩端內(nèi)壁中分別設(shè)有膠木支撐環(huán)3、6，環(huán)氧護(hù)套4的兩端內(nèi)壁與兩根電流引線5的外壁之間填充有低溫環(huán)氧膠2，兩根電流引線5均伸出環(huán)氧護(hù)套4之外，沒(méi)有安裝密封法蘭I的一端的兩根電流引線5與兩根下端電流引線7連接，兩根下端電流引線7的另一端固定在環(huán)氧支撐板8上。
[0027]電流引線5為無(wú)氧銅電流引線，下端電流引線7由無(wú)氧銅和Nb3Sn超導(dǎo)線組成。
[0028]環(huán)氧支撐板8的一端活動(dòng)安裝有可拆卸的圓形活動(dòng)板9，兩根下端電流引線7的一端即固定在所述圓形活動(dòng)板9上。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種直短樣超導(dǎo)線多角度場(chǎng)臨界電流測(cè)試樣品桿，其特征在于:包括有兩根電流引線，兩根電流引線外套設(shè)有環(huán)氧護(hù)套，環(huán)氧護(hù)套的一端安裝有密封法蘭，環(huán)氧護(hù)套的兩端內(nèi)壁中分別設(shè)有膠木支撐環(huán)，環(huán)氧護(hù)套的兩端內(nèi)壁與兩根電流引線的外壁之間填充有低溫環(huán)氧膠，兩根電流引線均伸出環(huán)氧護(hù)套之外，沒(méi)有安裝密封法蘭的一端的兩根電流引線與兩根下端電流引線連接，兩根下端電流引線的另一端固定在環(huán)氧支撐板上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直短樣超導(dǎo)線多角度場(chǎng)臨界電流測(cè)試樣品桿，其特征在于:所述的電流引線為無(wú)氧銅電流引線，下端電流引線由無(wú)氧銅和Nb3Sn超導(dǎo)線組成。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的直短樣超導(dǎo)線多角度場(chǎng)臨界電流測(cè)試樣品桿，其特征在于:所述的環(huán)氧支撐板的一端活動(dòng)安裝有可拆卸的圓形活動(dòng)板，兩根下端電流引線的一端即固定在所述圓形活動(dòng)板上。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種直短樣超導(dǎo)線多角度場(chǎng)臨界電流測(cè)試樣品桿，包括有兩根電流引線，兩根電流引線外套設(shè)有環(huán)氧護(hù)套，環(huán)氧護(hù)套的一端安裝有密封法蘭，環(huán)氧護(hù)套的兩端內(nèi)壁中分別設(shè)有膠木支撐環(huán)，環(huán)氧護(hù)套的兩端內(nèi)壁與兩根電流引線的外壁之間填充有低溫環(huán)氧膠，兩根電流引線均伸出環(huán)氧護(hù)套之外，沒(méi)有安裝密封法蘭的一端的兩根電流引線與兩根下端電流引線連接，兩根下端電流引線的另一端固定在環(huán)氧支撐板上。本發(fā)明適用于超導(dǎo)股線性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)類似結(jié)構(gòu)，本結(jié)構(gòu)在低溫下可靠接觸，并可以通入大電流，更換樣品時(shí)操作簡(jiǎn)易，不會(huì)損傷超導(dǎo)線。
【IPC分類】G01R19/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105004901
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510297762
【發(fā)明人】劉勃, 戴超, 秦經(jīng)剛, 劉方, 郝強(qiáng)旺, 武玉, 房權(quán)生, 龐玉春
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所
【公開(kāi)日】2015年10月28日
【申請(qǐng)日】2015年6月3日