一种超导接头的制作方法

本实用新型属于超导线材连接技术领域，涉及一种在无氦磁体中使用的二硼化镁超导线圈的超导接头。

背景技术：

二硼化镁（MgB₂）在2001年被发现是超导体，相较于其他常规超导材料有较高的临界温度，MgB2在材料和制造成本等方面相对较低，所以被认为是很有希望应用在磁共振成像系统（MRI）磁体等方面，尤其是无氦模式磁共振成像系统（FHeMRI）磁体中的一种候选材料。无氦磁体与液氦磁体相比，无需液氦做制冷剂而仅由制冷机控制工作环境温度，所以选择临界温度较高的MgB2作为超导材料更为合适。目前市场上销售的磁共振成像系统（MRI）主要是采用铌钛（NbTi）材料超导线绕制的超导磁体。传统的NbTi超导线可以通过熔接等方法进行超导连接，而MgB2是一种脆性的陶瓷材料，且熔点高，不能通过传统方法进行超导连接。现在的超导磁共振成像系统（MRI）磁体内充满了昂贵的液氦（LHe）来维持NbTi超导线4.2K的临界温度。但是，不断攀升的液氦价格和极有可能短缺的液氦资源，大幅增加了对无氦磁体的需求。MgB₂的临界温度为39K，故可允许其在高达10K-25 K的温度下工作。

同时，超导接头的好坏将直接影响到磁体的能否长期稳定工作，在磁场以及温度15K的条件下需实现小于1.3×10^-10Ω的接合电阻。

技术实现要素：

本实用新型为了解决现有的MgB₂超导接头载流能力不强，且在制作接头过程中，由于MgB₂本身的脆性极易导致超导线内芯折断。我们根据Mg、B 和MgB₂超导体的物理化学特性，提出一种实现MgB₂超导线材安全可靠的超导连接装置。本实用新型可以实现两段MgB₂超导线的连接，还可以使接头电阻达到磁共振系统稳定持久工作所需。

本实用新型所采用的技术方案如下：

MgB₂是一种金属与非金属高熔点合金材料，单丝MgB₂超导线是通过粉末装管法技术和原位工艺制造。使用Mg、B 混合粉末作为原始材料，装入金属管中，锻造好的复合材料导线随后被拉制成超导线。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种超导接头，包括有反应桶、冲压桶盖、MgB₂块和两根MgB₂超导线，所述的反应桶侧壁开设有用于MgB₂超导线穿入的方形通孔，反应桶内侧底部设有用于MgB₂超导线定位的导向卡槽，所述的通孔在反应桶内侧底部与所述的导向卡槽连通且方向一致；所述的两根MgB₂超导线并排紧贴穿过通孔定位在导向卡槽内，两根MgB₂超导线的MgB₂超导内芯在反应桶内通过MgB₂块连接；所述的反应桶上口设有冲压桶盖，冲压桶盖与反应桶之间通过插接方式密封配合。

作为优选，所述的通孔的高度宽度尺寸与两根并排的MgB₂超导线的高度宽度尺寸适配；所述的导向卡槽宽度尺寸与两根并排的MgB₂超导线的宽度尺寸适配。

作为优选，所述的反应桶的内腔呈直立柱形。

作为优选，所述的反应桶与冲压桶盖之间设有高温密封层；所述的方形通孔与两根MgB₂超导线之间也设有高温密封层。

作为优选，所述的高温密封层为GL-900耐高温无硅密封胶材料。

本实用新型的优点如下：

本实用新型将MgB₂超导线材放置在反应桶的内腔中，并通过施加压力使接头处致密化，可有效减少外界气氛对烧结反应的影响，且提高机械强度和接头致密度，有效降低接头处电阻，保障接头能够在超导磁体中处于长期稳定的状态。

本实用新型将剥离一半护套金属的MgB₂超导线置于反应桶下部凹陷，且剩余一半护套金属与底部接触垫实，用于反应的混合粉末在其上部。能够保证受到压力后，原MgB₂超导线不会因为自身脆性而折断，保证原超导线的超导性能。

本实用新型在接头处添加Mg、B混合粉末，利用Mg的较低熔点及MgB₂低于自身熔点的成相反应温度，在较低温度下实现反应焊接。最大限度地增大接触面积与反应前施加压力，接头烧结的MgB₂与超导线原有的MgB₂内芯结合强度高，有效降低接头处电阻，提高接头处临界电流特性。

附图说明

图1为本实用新型MgB₂超导线接头的截面图。

图2为本实用新型反应桶的剖面图。

图3为本实用新型两根MgB₂超导线剥离护套材料后的示意图。

图4为本实用新型将MgB₂超导线伸入到反应桶空腔内的示意图。

图5为本实用新型反应桶填充镁硼混合粉末的示意图。

图6为本实用新型中添加高温密封材料与插接挤压桶盖的示意图。

图7为本实用新型安装完毕后的示意图。

图中，1：MgB₂超导线；2：高温密封层；3：反应桶；4：MgB₂块；5：冲压桶盖；6：导向卡槽；7：通孔。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型一种超导接头结构作进一步说明：

如图1、图2所示，本实用新型是一种超导接头，包括有反应桶3、冲压桶盖5、MgB₂块4和两根MgB₂超导线1，所述反应桶3外部形状为圆柱形，内部呈一个直立柱形空腔；所述的反应桶3侧壁开设有用于MgB₂超导线1穿入的方形通孔7，通孔7的高度宽度尺寸与两根并排的MgB₂超导线1的高度宽度尺寸适配，反应桶3内侧底部设有用于MgB₂超导线1定位的导向卡槽6，卡槽6宽度尺寸与两根并排的MgB₂超导线1的宽度尺寸适配，所述的通孔7在反应桶3内侧底部与所述的导向卡槽6连通，且通孔7与导向卡槽6方向一致、底部齐平、光滑过渡。所述的两根MgB₂超导线1并排紧贴穿过通孔7定位在导向卡槽6内，两根MgB₂超导线1的MgB₂超导内芯在反应桶3内通过MgB₂块4连接。所述的冲压桶盖5与反应桶3上口通过插接方式密封配合。并且，所述的反应桶3与冲压桶盖5之间设有高温密封层2；所述的方形通孔7内壁上也设有高温密封层2。所述的高温密封层2为GL-900耐高温无硅密封胶材料。

本实用新型系在无氦磁体中使用的MgB₂超导线制造超导接头的方法，该方法有以下操作步骤：

步骤一，如图3所示，采用机械（物理）抛光或化学腐蚀等方法把两根待连接的MgB₂超导线端部一面一段长约5mm的金属护套材料剥离，直至暴露出MgB₂超导内芯，其余部分保留。接下来将两根剥离了部分护套材料的MgB₂超导线1置于平行紧密贴合的状态，暴露出MgB₂超导内芯的接触面需朝向同一方向放置。

步骤二，如图4所示，将两根待连接的MgB₂超导线1插入通孔7的高温密封材料2中，再将其通过侧壁通孔7插入反应桶3的立柱形空腔内，反应桶3底部导向卡槽6的设计可与MgB₂超导线完美吻合，用以固定超导接头，使超导接头结构在空腔内不会产生晃动。

上述步骤需保证暴露出的MgB₂超导内芯接触面朝向反应桶3上开孔方向放置，另一面保证与反应桶3上底部接触。随后，在150℃下在干燥炉中对密封材料进行15分钟的固化处理。

步骤三，如图5所示，将已经研磨好的且与制造MgB₂超导线相同批次的（Mg + 2B）粉末4均匀混合，适量的铺覆在反应桶3内腔中，且与两段MgB2超导线1内芯的接触面充分接触。

上述填充的Mg粉和B粉4的摩尔比为1∶2，Mg粉细度99％，粒度325目，无定形B粉细度98.8％，粒度约400nm，粉末密度约为1.96g/cm³±4％。

步骤四，如图6所示，为了保证接头处烧结反应后的MgB₂块4与原MgB₂超导线1内芯的结合强度，再将高温密封材料2添加在反应桶3顶部。使用合适大小的冲压桶盖5，将接头装置置于压机中，垂直冲压桶盖5表面方向上施加约10T/cm²（〜0.93Gpa）的压力，保持压力10分钟，使反应桶2与冲压桶盖5紧密压制不松脱，提高整个装置的致密度。

步骤五，如图7所示，将反应桶3顶部的高温密封层2在150℃下的干燥炉中固化15分钟。再将整个压制后的装置置于高纯氩（Ar）惰性保护气氛的烧结炉中，快速热处理至700℃下，并保持90分钟，使Mg、B 粉充分反应生成MgB₂，便可实现两段MgB₂超导线1的超导连接。

上述接头装置需自然冷却至室温，之后即可从炉中取出整个接头装置，得到稳固连接的MgB₂超导线。

上述MgB₂超导接头的运行温度为4~30K。

以上上述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。