专利名称：内插式超导接头电阻测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对超导磁体线圈之间超导接头的电阻进行测量的装置。
背景技术：
超导磁体，特别是大中型超导磁体一般都由许多超导线圈串联组合而成。由于商业供应超导线长度的限制或者各超导线圈对超导线参数要求不同及磁体绕制工艺的需要， 超导磁体中各超导线圈不可能采用同一根超导线绕制，不同超导线圈的超导线必须进行电阻性或超导性焊接，而这些超导线之间的接头质量的好坏将直接影响到超导磁体系统的稳定运行。在某些超导应用领域，如核磁共振成像(MRI)、核磁共振谱仪(NMR)等所用超导磁体均要求闭环运行，这就不可避免的涉及超导开关与超导磁体之间的接头。超导接头电阻决定了磁体的衰减速度，是评价一个闭环超导磁体性能的重要指标。因此准确地测量出超导接头的电阻是评价超导接头质量的关键。测量电阻的常用方法是四引线法，但这种方法一般只适用于测量大于10_9的电阻。如今的超导接头焊接工艺所得到的超导接头电阻一般都小于10_8Ω，而磁共振成像、核磁共振谱仪系统对超导接头的电阻要求更小，如低于10_12Ω。测量这样低量级的电阻值需要采用更灵敏的测量方法-电流衰减法。这种方法首先将带有超导接头的超导线做成一个闭合环，利用超导互感器将此环充电，则闭环的衰减时间常数便可计算出接头电阻的大小。 设、时，电流为t2时为i2，样品闭合环电感为L，则接头电阻可由下式计算出R = L · In (Vi2) / (t「t2)在实际应用中，超导接头一般都处在一定大小的背景磁场中，不同背景磁场下的超导接头的电阻值是不同的，因此还需要绕制一个小超导磁体为超导接头样品提供一个背景磁场。浸泡冷却式超导磁体运行时，其中的超导接头是完全浸没在液氦中的，其温度一直维持在约4.观。因此传统的超导接头电阻测量装置都必须有一套低温杜瓦，带超导接头的样品，超导互感器，背场磁体都放置在低温杜瓦里的液氦罐内冷却，液氦罐外还有冷屏系统和真空杜瓦系统，使得这种超导接头电阻测量装置结构复杂，测量过程和更换样品也相当繁琐。此外，每测量一个超导接头样品一般需要耗时数日，而传统的超导接头电阻测量装置液氦挥发率又很高，这就使得超导接头电阻的测试费用大大提高。
发明内容
本发明为了克服上述超导接头电阻测量装置的缺点，借助商业上运输和储藏液氦所用的小型液氦储藏罐提出一种内插式超导接头电阻测量装置。本发明将超导接头样品， 超导互感器，背场超导磁体等工具直接通过小型液氦储藏罐口插到液氦储藏罐内进行浸泡式冷却，这样大为简化了超导接头电阻测量装置结构，而且商业所用液氦储藏罐液氦挥发率非常小，大大降低了测试费用。本发明主要包括罐内样品室和罐外操作区两部分，这两部分通过一根金属管连接。罐内样品室位于金属管的下端，罐外操作区位于金属管的上端。本发明的罐内样品室主要由超导互感器、磁场测量座和背场超导磁体等组成，这些部件沿轴向并列布置，从下向上依次为超导互感器、磁场测量座和背场超导磁体，磁场测量座位于超导互感器和背场超导磁体之间。本发明工作时，罐内样品室将会完全插入到液氦储藏罐内，因此罐内样品室的外径不能大于液氦储藏罐的罐口内径。罐内样品室内安放有超导接头样品，此超导接头样品由超导接头、单匝感应环和单匝测量环组成。超导接头样品采用一根超导线扭绕制成，超导线先弯曲制成一定直径的单匝感应环，然后将两根出线相互缠绕成一段双绞线，然后利用其中一根出线弯曲制成一定直径单匝测量环，然后再将两根出线相互缠绕成一段双绞线，最后将超导线的两端按一定工艺焊接成超导接头。超导接头电阻的测量一般都在一定背景磁场中进行，测量时超导接头放置在背场超导磁体内孔中，由背场超导磁体产生一定强度的背景磁场。背场超导磁体的骨架为两端带有法兰的圆筒，由不锈钢或铝合金材料制成。按照产生所需最大背景磁场的要求，用超导线在骨架上绕制一定匝数的线圈。线圈中导线与导线之间的缝隙使用环氧树脂填充，环氧树脂凝固后可以加固整个超导线圈，如此形成背场超导磁体。背场超导磁体通过工字形上连接板连接到所述金属管的下端，工字形上连接板两端各带有一个法兰，工字形上连接板上端的上法兰顶面同所述金属管的下端面焊接在一起，工字形上连接板下端的下法兰的底面同背场超导磁体骨架的上法兰顶面焊接在一起。 工作时，背场超导磁体同一个超导开关形成闭环运行，从而保持背景磁场长时间恒定，所述的超导开关通过其底面伸出的螺杆固定在工字形上连接板上。超导互感器和磁场测量座通过一块下连接板同背场超导磁体相连，下连接板垂直放置，且通过下连接板上端带有的一个法兰焊接到背场超导磁体骨架的下法兰底面上。超导互感器的骨架同样为两端带有法兰的圆筒，由不锈钢或铝合金材料制成。按给超导接头样品感应上最大电流所需的安匝比用超导线在超导互感器的骨架上绕制一定匝数的线圈， 线圈中导线与导线之间的缝隙同样使用环氧树脂填充加固，便制成超导互感器。超导互感器通过超导互感器骨架的下法兰端面上伸出的螺杆沿水平方向固定在下连接板上。待测超导接头样品的单匝感应环套扎在超导互感器线圈最外层的中间位置。磁场测量座采用非金属材料制成，通过磁场测量座底面伸出的螺杆固定在下连接板上。磁场测量座中间沿圆周方向开有一个凹槽，超导接头样品的单匝测量环嵌在此凹槽里。磁场测量座沿中心轴开有内孔，磁场测量探头安装在所述的内孔中心。测量时，超导接头置于背景超导磁体的内孔中，由背景超导磁体产生一定大小的背景磁场。超导接头样品的单匝感应环套扎在超导互感器线圈的外层的中间位置。由超导互感器给超导接头样品中感应出一定大小的电流。超导接头样品的单匝测量环镶嵌在磁场测量座中间的凹槽中。通过安装在磁场测量座沿中心轴内孔中心的磁场测量探头测量超导接头样品的单匝测量环的中心点磁场大小，然后通过计算可得出此刻超导接头样品中电流的大小，所依据公式为i = 2B · R/u0(1)式中i为超导接头样品中电流，B为超导接头样品单匝测量环中心的磁场感应强度，R为超导接头样品单匝测量环的半径，U0为真空磁导率。本发明的罐外操作区主要由快接法兰和排气筒组成。排气筒焊接在金属管的上端，排气筒侧面开有一排气口。测量时，液氦储藏罐内挥发的氦气通过金属管内孔进入排气筒，再从排气口排出。背场超导磁体、超导互感器及磁场测量探头的引线都从金属管内孔穿出，再从排气筒的上盖板的引线出口引出。快接法兰焊接在金属管的中部，当本发明的罐内样品室通过液氦储藏罐口插入到储藏罐内时，快接法兰的下底面正好盖在液氦储藏罐的罐口上，密封住罐口，使罐内挥发的氦气从金属管流向排气筒，再从排气口排出，并对金属管内的引线进行冷却。本发明对超导接头电阻值进行测量的步骤为先将本发明的罐内样品室缓慢地从液氦储藏罐口插入罐内，直到快接法兰底面盖在罐口上。使用外界电源将背场超导磁体充磁到需要的磁场强度，打开超导开关，使背场超导磁体和超导开关形成闭环运行。接着再使用外界电源对超导互感器进行充电，给待测超导接头样品感应上大小适宜的电流。最后利用磁场测量探头测量出两个不同时间点待测超导接头样品单匝测量环中心的磁感应强度， 便可以依据所述的计算公式(1)出待测超导接头样品的电流值，进而计算出待测超导接头实际的电阻值。
图1是本发明内插式超导接头电阻测量装置系统组成示意图，图中1超导互感器、2磁场探头座、3下连接板、4背场超导磁体、5上连接板、6超导开关、7金属长管、8快接法兰、9排气筒、10排气口、11引线出口 ；图2是超导接头样品示意图，图中12超导接头、13单匝感应环、14单匝测量环；图3是安装有超导接头样品的罐内样品室剖面示意图；图4是本发明插入到液氦储藏罐内进行测量的实验演示图，图中15液氦储藏罐。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。如图1所示，本发明主要包括罐内样品室和罐外操作区两部分，这两部分通过金属管7连接。罐内样品室位于金属管7的下端，罐外操作区位于金属管7的上端。如图1和图3所示，本发明的罐内样品室主要由超导互感器1、磁场测量座2、背场超导磁体4等组成，这些部件沿轴向并列布置，从下向上依次为超导互感器1、磁场测量座2 和背场超导磁体4，磁场测量座2位于超导互感器1和背场超导磁体4之间。本发明工作时， 罐内样品室完全插入到液氦储藏罐内，因此罐内样品室的外径不能大于液氦储藏罐的罐口内径。如图2和图3所示，罐内样品室内安放有超导接头样品，此超导接头样品由超导接头12、单匝感应环13和单匝测量环14组成。超导接头样品采用一根超导线扭绕制成，超导线先弯曲制成一定直径的单匝感应环13，然后将两根出线相互缠绕成一段双绞线，利用其中一根出线弯曲制成一定直径单匝测量环14，然后再将两根出线相互缠绕成一段双绞线， 最后将超导线的两端按一定工艺焊接成超导接头12。超导接头电阻的测量一般都在一定背景磁场中进行，测量时超导接头12将放置在背场超导磁体4内孔中，由背场超导磁体4产生一定强度的背景磁场。背场超导磁体4 的骨架为两端带有法兰的圆筒，由不锈钢或铝合金材料制成。按照产生所需最大背景磁场的要求，用超导线在骨架上绕制一定匝数的线圈。线圈中导线与导线之间的缝隙使用环氧树脂填充加固，形成背场超导磁体4。背场超导磁体4通过工字形上连接板5连接到金属管 7的下端，工字形上连接板5上下两端各带有一个法兰，工字形上连接板5上端的上法兰的顶面同金属管7的下端面焊接在一起，工字形上连接板5下端的下法兰的底面同背场超导磁体4骨架的上法兰的顶面焊接在一起。工作时，背场超导磁体4同一个超导开关6形成闭环运行，从而保持背景磁场长时间恒定，超导开关6通过其底面伸出的螺杆固定在工字形上连接板5上。如图3所示，超导互感器1和磁场测量座2通过一块下连接板3同背场超导磁体4 相连，下连接板3垂直放置且通过其上端带有的一个法兰焊接到背场超导磁体4骨架的下法兰底面上。超导互感器1的骨架同样为两端带有法兰的圆筒，由不锈钢或铝合金材料制成，按照给超导接头样品感应上最大电流所需的安匝比采用超导线在超导互感器1的骨架上绕制一定匝数的线圈，线圈中导线与导线之间的缝隙同样使用环氧树脂填充加固，形成超导互感器1。超导互感器1通过超导互感器骨架的下法兰端面上伸出的螺杆，沿水平方向固定在下连接板3上。超导接头样品的单匝感应环13套扎在超导互感器1线圈最外层的中间位置。磁场测量座2采用非金属材料制成，通过磁场测量座2底面伸出的螺杆固定在下连接板3上。磁场测量座2中间沿圆周方向开有一个凹槽，超导接头样品的单匝测量环14正好嵌在此凹槽里，磁场测量座2沿中心轴开有内孔，磁场测量探头安装在所述的内孔中心，通过此磁场测量探头就可以测量超导接头样品单匝测量环14的中心点磁场大小， 然后通过计算可得出此刻超导接头样品中电流的大小，所依据公式为i = 2B · R/U(l，式中 B为超导接头样品单匝测量环中心的磁场感应强度，R为超导接头样品单匝测量环的半径， U。为真空磁导率。如图1和图4所示，本发明的罐外操作区主要由快接法兰8和排气筒9组成。排气筒9焊接在金属管7的上端，排气筒9侧面开有一排气口 10，测量时，液氦储藏罐15内挥发的氦气通过金属管7内孔进入排气筒9，再从排气口 10排出。背场超导磁体4、超导互感器1及磁场测量2探头的引线都从金属管7内孔穿出再从排气筒9的上盖板的引线出口 11 引出。快接法兰8焊接在金属管7的中部，当本发明的罐内样品室通过液氦储藏罐15 口插入到储藏罐内时，快接法兰8的下底面正好盖在液氦储藏罐15的罐口上，密封住罐口，使罐内挥发的氦气从金属管7流向排气筒9，再从排气口 10排出，并对金属管7内的引线进行冷却。
权利要求
1.一种内插式超导接头电阻测量装置，其特征在于，所述的测量装置包括罐内样品室和罐外操作区两部分，罐内样品室和罐外操作区通过金属管(7)连接，罐内样品室位于金属管(7)的下端，罐外操作区位于金属管(7)的上端；所述的罐内样品室主要由超导互感器 (1)、磁场测量座O)、背场超导磁体(4)组成；超导互感器(1)、磁场测量座O)、背场超导磁体(4)从下向上依次沿轴向并列分布，磁场测量座( 位于超导互感器(1)和背场超导磁体(4)之间；工作时，罐内样品室完全插入到液氦储藏罐(1 内进行浸泡式冷却，罐内样品室的外径不大于液氦储藏罐(1 的罐口内径。
2.按照权利要求1所述的内插式超导接头电阻测量装置，其特征在于所述的背场超导磁体(4)通过工字形上连接板( 连接到金属管(7)的下端，工字形上连接板( 上端的上法兰顶面同金属管(7)下端面焊接在一起，工字形上连接板( 下端的下法兰的底面同背场超导磁体(4)骨架的上法兰顶面焊接在一起。
3.按照权利要求1或2所述的内插式超导接头电阻测量装置，其特征在于所述的背场超导磁体的骨架为两端带有法兰的圆筒，按照产生所需最大中心磁场的要求，在所述的骨架上绕制超导线圈，超导线圈中导线与导线之间的缝隙使用环氧树脂填充加固，形成背场超导磁体(4)。
4.按照权利要求1所述的超导接头测量装置，其特征在于所述的超导互感器(1)和磁场测量座( 通过一块下连接板(3)同背场超导磁体(4)相连，下连接板C3)垂直放置，且通过下连接板C3)上端的法兰焊接到背场超导磁体(4)骨架的下法兰底面上；超导互感器(1)通过其骨架下法兰端面上伸出的螺杆，沿水平方向固定在下连接板C3)上；超导接头样品的单匝感应环(1 套扎在超导互感器(1)线圈最外层的中间位置；磁场测量座( 采用非金属材料制成，通过磁场测量座( 底面伸出的螺杆固定在下连接板C3)上；磁场测量座(2)中间沿圆周方向开有一个凹槽，超导接头样品的单匝测量环(14)嵌在此凹槽里，磁场测量座( 沿中心轴开有内孔，磁场测量探头安装在所述的内孔中心。
5.按照权利要求1或4所述的内插式超导接头电阻测量装置，其特征在于所述的超导互感器(1)的骨架为两端带有法兰的圆筒，在所述的骨架上用超导线绕制超导线圈，形成超导互感器(1)。
6.按照权利要求4所述的内插式超导接头电阻测量装置，其特征在于所述的超导接头样品由超导接头(12)、单匝感应环(1 和单匝测量环(14)组成；超导接头样品采用一根超导线扭绕制成，超导线先弯曲成一个直径与超导互感器(1)线圈的外径相同的单匝感应环(13)，然后将所述超导线的两根出线相互缠绕成一段双绞线，然后利用其中一根出线弯曲制成一个直径与磁场测量座( 上凹槽的外径相等的单匝测量环(14)，然后再将两根出线相互缠绕成一段双绞线，最后将超导线的两端焊接成超导接头(12)。
7.按照权利要求1所述的内插式超导接头电阻测量装置，其特征在于所述的罐外操作区由快接法兰⑶和排气筒(9)组成；排气筒(9)连接到金属管(7)的上端，排气筒(9)侧面开有一排气口(10)；背场超导磁体G)、超导互感器(1)及磁场测量( 探头的引线均从金属管⑵内孔穿出，再从排气筒(9)的上盖板的引线出口(11)引出；快接法兰⑶焊接在金属管(7)的中部；当罐内样品室通过液氦储藏罐(1 口插入到储藏罐内时，快接法兰 (8)的下底面正好盖在液氦储藏罐(1 的罐口上，密封住罐口，使罐内挥发的氦气从金属管(7)流向排气筒(9)，再从排气口 (10)排出，并对金属管(7)内的引线进行冷却。
8.采用权利要求1所述的内插式超导接头电阻测量装置测量超导接头电阻的方法，其特征在于，测量时，超导接头(12)置于背景超导磁体(4)的内孔中，由背景超导磁体(4)产生背景磁场；超导接头样品的单匝感应环(1 套扎在超导互感器(1)线圈的外层，由超导互感器(1)给超导接头样品中感应出电流；超导接头样品的单匝测量环(14)镶嵌在磁场测量座O)中间凹槽中，通过安装在所述的磁场测量探头测量超导接头样品单匝测量环(14) 的中心点磁场大小，然后通过公式i = 2B · R/u。，计算得出此刻超导接头样品中电流的大小，进而计算出待测超导接头实际的电阻值。式中i为超导接头样品中电流，B为超导接头样品单匝测量环中心的磁场感应强度，R为超导接头样品单匝测量环的半径，Utl为真空磁导率。
全文摘要
一种内插式超导接头电阻测量装置，包括罐内样品室和罐外操作区两部分。罐内样品室由超导互感器(1)、磁场测量座(2)、背场超导磁体(4)组成。测量时，超导接头(12)置于背景超导磁体(4)的内孔中，由背景超导磁体(4)产生背景磁场；超导接头样品的单匝感应环(13)套扎在超导互感器(1)线圈的外层，由超导互感器(1)给超导接头样品中感应出电流；超导接头样品的单匝测量环(14)镶嵌在磁场测量座(2)中间凹槽中，由放置在磁场测量座(2)中心孔内的磁场测量探头测量超导接头单匝测量环(14)中心磁场的大小，计算出超导接头样品中的电流。工作时，罐内样品室完全插入到液氦储藏罐(15)内在液氦中浸泡冷却。
文档编号H01F36/00GK102243273SQ201110091910
公开日2011年11月16日 申请日期2011年4月13日 优先权日2011年4月13日
发明者王秋良, 程军胜, 陈顺中 申请人:中国科学院电工研究所