高温超导线-超导带可变温临界电流测试样品杆的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明主要涉及大型超导磁体领域，尤其涉及一种高温超导线-超导带可变温临界电流测试样品杆，用于高温超导线材/超导带材直短样在不同温度，不同大小背景磁场下的临界电流测试。
【背景技术】
[0002]大型超导磁体是全超导可控磁约束聚变堆的关键，其主要功能是将超高温等离子体约束在磁容器中，实现受控核聚变反应。在ITER设计中，磁体均采用NbTi和Nb3Sn低温超导材料。对实验堆的研宄表明装置越大、磁场越高，越容易实现可控聚变反应和发电，未来示范堆和商用堆运行参数(功率>2GW，磁场>15T，电流>100kA，承载>150吨/米)远高于目前ITER设计参数。受低温超导线材上临界磁场的限制，采用传统低温超导材料不可能制备出超过22T的磁体，绕制更高磁场的磁体要求材料在超过20T的磁场中仍能够保持较高临界电流密度。因此，寻求具有更为优良综合性能的超导材料和高场磁体是未来可控磁约束聚变示范堆和商业化过程中必须解决的问题。陶瓷氧化物高温超导材料因其在4.2K下具有极高的不可逆场和优异的磁场载流特性，因此是建造高场磁体的理想材料。在高温超导材料中，Bi2Sr2CalCu20X(B1-2212)是唯一可制备成各向同性圆线的材料，其在4.2K即使外场高达45T依然能够承载具有实际应用意义的工程电流密度，因此是目前最具高场下O20T)应用前景的高温超导材料。而以B1-2223和YBCO为代表的高温超导带材，以其高临界温度(Tc)，高临界磁场，较好的力学性能，在高温超导电流引线和高温超导储能磁体领域得到了广泛应用。
[0003]在使用高温超导线材/带材之前要对其性能进行详细的研宄，包括常温和低温下的力学性能，不同温度场和磁场下的临界性能，电磁学特性以及应变对其超导性能的影响等，因为实用导体工作在较为复杂的高背景场中。因此，研宄背景磁场强度和角度对超导线临界电流的影响可以为今后设计电缆和导体提供重要的数据。
[0004]超导线/带临界性能测试实验采用四引线法进行测试。
[0005]实验内容包括:不同背景磁场中，4.2K-30K温度下超导线/带材的临界电流测试。
[0006]测试期间，样品杆浸泡在液氦中，并且通过加热电阻蒸发液氦实现温度变化。因此需要设计一套可靠的系统，实现样品的固定，温度的可控，并且在背景磁场中给样品通入稳定的直流电流，测试样品在不同背景磁场和不同温度场中的临界电流。
[0007]目前，国内外低温实验室设计了多种可变温样品杆用于研宄超导线临界性能和温度的关系，结构各异，但是为了准确可靠的控制温度和测量超导线的临界性能，样品杆设计时必须考虑以下几点:
1、样品可以稳定的固定在测试装置上；
2、低温环境中，超导线样品和电流引线之间接触良好，电流传输稳定；
3、变温室内温度的稳定控制；
4、变温室内的电流引线要为超导电流引线，避免普通电流引线在载流时产生焦耳热，影响温度控制；
5、放入样品杆时电流引线易于冷却以节省液氦；
6、样品杆下端，特别是变温模块部分要易于拆装，以便更换样品。
[0008]7、最大减小漏热，节省液氦；
可靠的电绝缘。
【发明内容】
[0009]本发明提出一种高温超导线-超导带可变温临界电流测试样品杆，是一种结构合理的可在不同温度下测试超导线临界性能测试样品杆。
[0010]本发明采用技术方案是:
一种高温超导线-超导带可变温临界电流测试样品杆，其特征在于:包括有环氧底座、两根电流引线，两根电流引线外套设有环氧护套，环氧护套的一端安装有密封法兰，环氧护套的两端内壁中分别设有胶木支撑环，环氧护套的两端内壁与两根电流引线的外壁之间填充有低温环氧胶，两根电流引线均伸出环氧护套之外；环氧底座的中部固定有一个开口朝下的不锈钢U型支撑、一侧固定有两个不锈钢吊杆、另一侧固定有两根复合电流引线，两个不锈钢吊杆的顶端分别固定有一个电流引线连接块，两根电流引线分别通过一个电流引线连接块与复合电流引线连接。
[0011]所述的电流引线为无氧铜电流引线，复合电流引线由无氧铜和Nb3Sn超导线组成。
[0012]本发明的工作原理是:
被测试短样固定在样品杆下端的U型不锈钢支撑结构上。放置在液氦槽中和平行于样品架的轴线磁场(螺线管)中。电流方向的选择要使超导线短样所受的安培力指向于U型不锈钢支撑一侧，以免短样受到过大的洛仑兹力而产生较大的形变，或从样品杆上脱落，掉入磁体中。由于采用4引线法测试临界电流，须在短样上焊接间隔20-40mm的电位线采集电压信号，因此超导线短样的长度要3 40mm。变温原理为加热电阻产生热量，蒸发变温筒内的液氦，使变温筒内的温度发生改变，温度控制由控温仪完成，控温精度为±0.1K。
[0013]磁场测量系统的分辨率要优于20mT，其绝对准确度要优于1%。电流测试的分辨率必须优于0.1A，绝对准确度优于0.5%。
[0014]测试装置包括提供背景场的磁体系统，样品杆，低温容器，电源设备以及数据采集系统等。
[0015]提供背景场的磁体为螺旋管型超导混合磁体，内、夕卜线圈分别由Nb3Sn和NbTi线绕制。孔径为70mm，其中心磁场最高可达16T，中心处直径、高度均为1mm的圆柱内的磁场均匀度高达2.3X10'
[0016]磁体同时并联了一个超导开关，磁场稳定时磁体处于闭环运行模式，并浸泡在液氦中，以保证实验时磁体系统更稳定。
[0017]本发明的有益效果是:
本发明在研宄Bi2212，Bi2223和MgB2超导线的临界电流与温度之间的关系中起到重要作用；环氧护套提供氦气回路，冷却电流引线，节省了大量液氦，环氧护套支撑结构易于干燥，使得更换样品的时间大大缩短，不会发生样品杆表面凝结水放入液氦杜瓦后结冰的现象；临界电流测试过程中，在温度稳定在目标温度后，温度波动小于±0.2K，控温室内的超导电流引线传输电流稳定，并且基本不产生焦耳热；另外，为了减小测试时电压本底信号，采用了电位线不经过真空插头，直接引出接入采集设备的方法，有效降低了本底信号对测量精度的影响，提高了测试精度。
[0018]本发明的优点是:
本发明适用于不同温度下超导股线/带材性能测试实验，其样品骨架夹紧结构设计新颖，目前国内尚无类似结构，本结构在低温下可靠接触，并可以通入大电流，更换样品时操作简易。
【附图说明】
[0019]图1为本发明的立体结构示意图。
[0020]图2为本发明的前视剖视图。
[0021 ] 图3为本发明的俯视剖视图。
[0022]图4为图3的局部立体示意图。
[0023]图5为图3加控温室护照后的立体示意图。
【具体实施方式】
[0024]如图1-5所示，一种高温超导线-超导带可变温临界电流测试样品杆，包括有环氧底座B6、两根电流引线A4，两根电流引线A4外套设有环氧护套A3，环氧护套A3的一端安装有密封法兰A2，环氧护套A3的两端内壁中分别设有胶木支撑环A5，环氧护套A3的两端内壁与两根电流引线A4的外壁之间填充有低温环氧胶Al，两根电流引线A4均伸出环氧护套A3之外；环氧底座B6的中部固定有一个开口朝下的不锈钢U型支撑B4、一侧固定有两个不锈钢吊杆B2、另一侧固定有两根复合电流引线B3，两个不锈钢吊杆B2的顶端分别固定有一个电流引线连接块BI，两根电流引线A4分别通过一个电流引线连接块BI与复合电流引线B3连接。
[0025]电流引线A4为无氧铜电流引线，复合电流引线B3由无氧铜和Nb3Sn超导线组成。
[0026]结构说明:
部件Al为低温环氧胶，防止气化的氦气沿着电流引线泄漏，在低温下也具有良好的绝缘和密封作用；
部件A2为密封法兰，实验时与磁体杜瓦连接；
部件A3为环氧护套，一方面保护电流引线，同时起到支撑作用，另外为蒸发的冷氦气提供回气通道，放入样品杆和实验室冷却电流引线，节省液氦；
部件A4为与样品连接的无氧铜电流引线，电流引线横截面经过优化设计，通流能力达到 1000A ；
部件A5为胶木支撑环，是样品杆支撑部件；
部件B3为铜+Nb3Sn的复合电流引线，相比单纯的铜电流引线，复合电流引线可以减少电阻产生的焦耳热，减少液氦蒸发；
部件BI为电流引线连接块，用于连接B3和A4部件；
部件B2为不锈钢吊杆，用于固定下端测试模块；
部件B4为不锈钢U型支撑，作用是放置测试样品，并起到抵消样品通电产生的洛仑兹力的作用，另外为加热电阻和温度计的布置提供平台；
部件B5为控温室内的Bi2223高温超导电流引线，用于控温室内的电流传输，控温室内温度控制是通过温度计反馈给加热电阻电源温度信号，电源自动调节输出功率，由于对控温的精度要求较高，若控温室内有除加热电阻外的热源，会影响控温精度。因此，控温室内的电流传输采用高温超导电流引线，可以避免控温室内传输电流产生焦耳热。
[0027]部件B6为环氧底座，用于固定U型支撑和复合电流引线等结构；
部件B7为控温室护罩，作用为隔热，在受测试样品附近提供一个可变温区域。
【主权项】
1.一种高温超导线-超导带可变温临界电流测试样品杆，其特征在于:包括有环氧底座、两根电流引线，两根电流引线外套设有环氧护套，环氧护套的一端安装有密封法兰，环氧护套的两端内壁中分别设有胶木支撑环，环氧护套的两端内壁与两根电流引线的外壁之间填充有低温环氧胶，两根电流引线均伸出环氧护套之外；环氧底座的中部固定有一个开口朝下的不锈钢U型支撑、一侧固定有两个不锈钢吊杆、另一侧固定有两根复合电流引线，两个不锈钢吊杆的顶端分别固定有一个电流引线连接块，两根电流引线分别通过一个电流引线连接块与复合电流引线连接。2.根据权利要求1所述的高温超导线-超导带可变温临界电流测试样品杆，其特征在于:所述的电流引线为无氧铜电流引线，复合电流引线由无氧铜和Nb3Sn超导线组成。
【专利摘要】本发明公开了一种高温超导线-超导带可变温临界电流测试样品杆，包括环氧底座、两根电流引线，两根电流引线外套设有环氧护套，环氧护套的一端安装有密封法兰，环氧护套的两端内壁中分别设有胶木支撑环，环氧护套的两端内壁与两根电流引线的外壁之间填充有低温环氧胶，两根电流引线均伸出环氧护套之外；环氧底座的中部固定有一个开口朝下的不锈钢U型支撑、一侧固定有两个不锈钢吊杆、另一侧固定有两根复合电流引线，两个不锈钢吊杆的顶端分别固定有一个电流引线连接块，两根电流引线分别通过一个电流引线连接块与复合电流引线连接。本发明适用于不同温度下超导股线/带材性能测试实验，在低温下可靠接触，并可以通入大电流，更换样品时操作简易。
【IPC分类】H01B12/04, G01R27/02
【公开号】CN104952549
【申请号】CN201510242764
【发明人】戴超, 秦经刚, 刘方, 刘勃, 武玉
【申请人】中国科学院等离子体物理研究所
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年5月13日