阅读说明：本技术 一种大载流临界电流样品杆的设计方法 (Design method of large current-carrying critical current sample rod ) 是由 高慧贤 王菲菲 董茂胜 王蒙 昌胜红 刘京州 李建峰 刘向宏 冯勇 于 2020-05-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种大载流临界电流样品杆的设计方法,具体包括如下步骤：步骤1,计算超导线用量与低温端铜杆的横截面积；步骤2,根据步骤1的计算结果制作低温端超导复合电流引线；步骤3,计算常温端连接杆的横截面积；步骤4,根据步骤3的计算结果制作连接常温端的连接杆；步骤5,将步骤2制作的复合电流引线与步骤4制作的连接杆进行装配。本发明设计的电流样品杆能够最大载流至2500A,能够完成高临界电流超导体的测量。(The invention discloses a design method of a large current-carrying critical current sample rod, which specifically comprises the following steps: step 1, calculating the consumption of the superconducting wire and the cross-sectional area of a copper rod at a low-temperature end; step 2, manufacturing a low-temperature end superconducting composite current lead according to the calculation result of the step 1; step 3, calculating the cross sectional area of the connecting rod at the normal temperature end; step 4, manufacturing a connecting rod connected with the normal temperature end according to the calculation result of the step 3; and 5, assembling the composite current lead manufactured in the step 2 and the connecting rod manufactured in the step 4. The current sample rod designed by the invention can carry current to 2500A at most and can finish the measurement of a high critical current superconductor.)

一种大载流临界电流样品杆的设计方法

技术领域

本发明属于超导材料性能测量技术领域，涉及一种大载流临界电流样品杆的设计方法。

背景技术

NbTi/Cu低温复合超导体是目前应用最广泛的低温超导体之一。科研用强磁场磁体、磁约束核聚变装置(Tokamak)、在核磁共振成像仪(MRI)、等各方面都有着很广泛的应用。NbTi/Cu低温复合超导体从结构上划分可以分成一体化超导体(monolithic结构)以及由一体化超导体镶嵌在铜槽线里制作成的超导体(Wire In Channel以下简称WIC线材)。

临界电流(I_c)指的是超导体在特定温度下(对于低温超导体通常是在液氦温度约4.2K)与特定背景磁场下无阻通过的最大电流。NbTi/Cu低温复合超导体的monolithic结构线材在一般科研用各类磁体以及磁约束核聚变装置等各类强磁场装置中应用较广，其线径较小，通常直径小于1mm，单根股线临界电流一般在800A以下(背景磁场4T时)；而WIC线材其截面形状接近矩形，截面积大，载流通常能达到2000A左右(背景磁场4T)，在医疗用核磁共振成像仪中普遍使用。

随着MRI技术的发展，越来越多的医院配备了MRI设备，因此WIC线材的需求量也逐渐增加，最初的临界电流样品杆，用的紫铜作为原材料，适用于载流1000A以下临界电流的测量。勉强测量大于1000A的电流时，其液氦消耗大幅增大，成本骤然增加，同时测量的微伏级电压信号受到沸腾液氦产生的大量氦气的影响，变得极不稳定，常常会导致测量失败。

发明内容

本发明的目的是提供一种大载流临界电流样品杆的设计方法，该方法设计的电流样品杆能够最大载流至2500A，能够完成高临界电流超导体的测量。

本发明所采用的技术方案是，一种大载流临界电流样品杆的设计方法，具体包括如下步骤：

步骤1，计算超导线用量与低温端铜杆的横截面积；

步骤2，根据步骤1的计算结果制作低温端超导复合电流引线；

步骤3，计算常温端连接杆的横截面积；

步骤4，根据步骤3的计算结果制作连接常温端的连接杆；

步骤5，将步骤2制作的复合电流引线与步骤4制作的连接杆进行装配。

本发明的特点还在于，

步骤1中超导线用量的计算过程为：

设已知载流能力的NbTi/Cu与Nb₃Sn/Cu低温复合超导线根数分别为n₁与n₂，考虑线材使用的失超风险，设置安全系数为γ；

则NbTi/Cu低温复合超导线的实际所需根数n _NbTi为：

n_NbTi＝n₁/γ；

Nb₃Sn/Cu低温复合超导线的实际所需根数n_Nb3Sn为：

n_Nb3Sn＝n₂/γ；

低温端铜杆的最小横截面积S₁计算公式如下：

S₁＝I₁/j₁

其中，I₁—低温端铜杆预期达到的载流；

j₁—低温端铜杆单位面积的载流能力。

步骤1中低温端铜杆包括铜杆I、铜杆II和铜杆III，铜杆I的上端设有水平横板且铜杆I位于水平横板的中心处，水平横板的一端上侧沿竖直方向设有铜杆II，水平横板的另一端设有插孔I；

还包括竖直设置的铜杆III，铜杆III与铜杆II平行设置，铜杆III的底部连接在支撑块上，铜杆III位于支撑块的一端；支撑块与水平横板之间设有绝缘板；

支撑块的中心处设有插孔II，绝缘板的中心处设有插孔III，绝缘板的一端设有插孔IV；铜杆I依次穿过插孔III与插孔II、铜杆III从插孔IV中穿过绝缘板将铜杆I、铜杆II及铜杆III组合在一起。

步骤2的具体过程为：

在铜杆II和铜杆III的侧壁开设凹槽，分别同时在铜杆II和铜杆III上开设凹槽的位置安装n_NbTi根NbTi/Cu低温复合超导线和n_Nb3Sn根Nb₃Sn/Cu低温复合超导线；

在铜杆I的中心处开设通孔，并将n_NbTi根NbTi/Cu低温复合超导线和n_Nb3Sn根Nb₃Sn/Cu低温复合超导线装入所述通孔中；

铜杆I、铜杆II和铜杆III的横截面积均应大于等于S₁。

步骤2中铜杆I、铜杆II及铜杆III均采用低温锡焊的方法进行复合。

步骤2中焊接时焊料选择SnAg焊料或SnPb焊料中的一种。

步骤3中常温连接杆的横截面积S₂计算公式为：

S₂＝I₂/j₂

其中，I₂—常温连接杆预期达到的载流；

j₂—常温连接杆单位面积的载流能力。

步骤4中常温连接杆包括两根，每根常温连接杆包括同轴套接的外铜管和内铜管，外铜管的横截面积为S₂；

分别同时在外铜管和内铜管的上下两端开设排气孔；且排气孔开设在外铜管和内铜管的一侧侧壁上。

步骤5的具体过程为：将两根常温连接杆分别焊接在铜杆II和铜杆III的上端。

本发明的有益效果是，本发明一种大载流临界电流样品杆的设计方法设计出的样品杆，降低载流增大时铜引线发热带来的大量液氦损耗，降低测量成本，同时提高了测量的精密度。采用本发明制作的样品杆，超导态时背底电压很稳定，可很方便的进行扣除，按照检测标准的判据计算临界电且精度高。

附图说明

图1是本发明一种大载流临界电流样品杆的设计方法设计出的样品杆结构示意图；

图2是本发明一种大载流临界电流样品杆的设计方法设计出的样品杆中低温铜杆的拆分结构示意图；

图3是本发明一种大载流临界电流样品杆的设计方法设计出的样品杆中低温铜杆的装配结构示意图；

图4是本发明一种大载流临界电流样品杆的设计方法设计出的样品杆中铜杆II与超导线复合后的俯视图；

图5是本发明一种大载流临界电流样品杆的设计方法设计出的样品杆中铜杆I与超导线复合后的俯视图；

图6是本发明一种大载流临界电流样品杆的设计方法设计出的样品杆中常温杆的结构示意图；

图7(a)、(b)为对不同样品杆的测量曲线图；

图8是WIC的测量曲线图；

图9是Nb₃Sn/Cu复合超导体测量曲线图。

图中，1.超导线，2.铜杆I，3.铜杆II，4.铜杆III，5.水平横板，7.插孔I，9.支撑块，10.绝缘板，11.插孔II，12.插孔III，13.插孔IV，14.连接杆，15.样品，16.排气孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种大载流临界电流样品杆的设计方法，具体包括如下步骤：

步骤1，计算超导线1用量与低温端铜杆的横截面积；

设已知载流能力的NbTi/Cu与Nb₃Sn/Cu低温复合超导线根数分别为n₁与n₂，考虑线材使用的失超风险，设置安全系数为γ；

则NbTi/Cu低温复合超导线的实际所需根数n_NbTi为：

n_NbTi＝n₁/γ；

Nb₃Sn/Cu低温复合超导线的实际所需根数n_Nb3Sn为：

n_Nb3Sn＝n₂/γ；

低温端铜杆的横截面积S₁计算公式如下：

S₁＝I₁/j₁

其中，I₁—低温端铜杆预期达到的载流；

j₁—低温端铜杆单位面积的载流能力。

在低温下，铜杆载流可达到10A/mm²～15A/mm²，液氦中低温端采用15A/mm²来计算所需铜杆的截面积。

在高低场下分别只计算NbTi/Cu与Nb₃Sn/Cu低温复合超导线根数的原因在于：5T及以下Nb₃Sn/Cu复合超导线会存在低场下磁通不稳定现象，而在8T以上NbTi/Cu复合超导线已经失去载流能力，只有依靠Nb₃Sn/Cu复合超导线来载流。

参见图1～3所示，低温端铜杆包括铜杆I2、铜杆II3和铜杆III4，铜杆I2的上端设有水平横板5且铜杆I2位于水平横板5的中心处，水平横板5的一端上侧沿竖直方向设有铜杆II3，水平横板5的另一端设有插孔I7；

还包括竖直设置的铜杆III4，铜杆III4与铜杆II3平行设置，铜杆III4的底部连接在支撑块9上，铜杆III4位于支撑块9的一端；支撑块9与水平横板5之间设有绝缘板10；绝缘板10采用耐低温绝缘板，可选择聚四氟乙烯。

支撑块9的中心处设有插孔II11，绝缘板10的中心处设有插孔III12，绝缘板10的一端设有插孔IV13；铜杆I2依次穿过插孔III12与插孔II11、铜杆III4从插孔IV13中穿过绝缘板10将铜杆I2、铜杆II3及铜杆III4组合在一起。

铜杆I2上装有样品15。

水平横板5、支撑块9、铜杆I2、铜杆II3、铜杆III4均为紫铜材料。

步骤2，根据步骤1的计算结果制作低温端超导复合电流引线；低温端超导复合电流引线浸泡在液氦中。

在铜杆II3和铜杆III4的侧壁开设凹槽，分别同时在铜杆II3和铜杆III4上开设凹槽的位置安装n_NbTi根NbTi/Cu低温复合超导线和n_Nb3Sn根Nb₃Sn/Cu低温复合超导线；NbTi/Cu低温复合超导线和n_Nb3Sn根Nb₃Sn/Cu低温复合超导线统称为超导线。

参见图4，为在铜杆II3上安装超导线的结构示意图；铜杆III4上安装超导线1的结构与图4相同。

参见图5，在铜杆I2的中心处开设通孔，并将n_NbTi根NbTi/Cu低温复合超导线和n_Nb3Sn根Nb₃Sn/Cu低温复合超导线构成的超导线1装入通孔中；

铜杆I2、铜杆II3和铜杆III4的横截面积均为S1。

铜杆I2、铜杆II3及铜杆III4均采用低温锡焊的方法进行复合。

焊接时焊料选择SnAg焊料或SnPb焊料中的一种。

步骤3，计算常温端连接杆的横截面积；

步骤3中常温连接杆的横截面积S₂计算公式为：

S₂＝I₂/j₂

其中，I₂—常温连接杆预期达到的载流；

j₂—常温连接杆单位面积的载流能力，此处取10A/mm²计算。

步骤4，根据步骤3的计算结果制作连接常温端的连接杆；

步骤4中常温连接杆14包括两根，每根常温连接杆包括同轴套接的外铜管和内铜管，外铜管的横截面积为S₂；分别同时在外铜管和内铜管的上下两端开设排气孔16；且排气孔16开设在外铜管和内铜管的一侧侧壁上。

排气孔16在连接杆14的分布位置如图6所示，排气孔16的孔径1mm～3mm，外铜管和内铜管上下两端的排气孔数量均为3～5个；

连接杆14采用紫铜材料制作，为了增大冷却面积，采用双层铜管设计，内部铜管外部再套一层适当厚度的薄壁通管，设计铜管的面积需满足理论计算部分的要求。连接杆14的最上下两端都开气孔(孔径1mm～3mm，数量3～5个为宜)，保证冷氦气可顺利从连接杆各个表面通过，以及时带走大电流通过时产生的热量。

步骤5，将步骤2制作的复合电流引线与步骤4制作的连接杆进行装配。

步骤5的具体过程为：将两根常温连接杆14分别焊接在铜杆II3和铜杆III4的上端。

所有低温连接件都需要用氩弧焊并用铜焊丝进行焊接(以下简称“铜焊”)。合理安排铜焊与锡焊顺序，如在完成锡焊后再进行铜焊时一定要注意在其过程中需将锡焊部分充分冷却，防止脱焊。

本发明一种大载流临界电流样品杆的设计方法的设计原理为：首先低温端设计原理：这里低温端指的浸泡在液氦里的样品杆部分。利用超导线材低温下能够无阻载流的特点，将低温超导线NbTi/Cu(一般在磁场不超过8T范围内应用)与Nb₃Sn/Cu(一般在磁场不超过12T范围内应用)与纯铜结合使用，设计在零场至12T场强范围内都能够承载2000A以上电流的测量杆。

连接杆设计原理：液氦未浸泡的样品杆至常温端部分。这部分仍然采用紫铜作为材料，但是为了充分利用冷氦气的潜热来降低样品杆的发热，样品杆改为多层套管结构，以增加冷却面积，并在上下端分别打开气孔，保证冷氦气气路畅通。

本发明一种大载流临界电流样品杆的设计方法已成功用于WIC线材临界电流测量的样品杆制作，具体操作如下：

1.计算超导线用量与铜引线截面积

根据WIC超导线的设计电流，样品杆既定设计为2500A。使用的直径约0.7mm的NbTi/Cu超导线在5T背景场下大约为400A。取安全系数γ＝0.7根据公式计算得根数为9根。而使用的直径约0.8mm的Nb₃Sn/Cu超导线在12T背景场下大约为300A。取安全系数γ＝0.7根据公式计算得根数为10根。

铜引线部分面积计算应大于450mm²。

2.低温端复合电流引线制作

液氦中，防止超导线意外失超损坏样品杆，低温端铜杆截面计算应大于167mm²，使用直径15mm的铜棒即可达到要求。

根据设计的装配顺序，将部分零件先进行铜焊。用超导线锡焊的方式将超导线嵌入铜杆II3和铜杆III4中的凹槽内；焊料使用更适合低温超导测量用的SnAg合金。再将超导线装入铜杆I2中心处的通孔。

3.连接杆电流引线制作

经计算，连接杆截面积应大于250mm²。采用外径12mm内径6mm的铜管，并在外部套上外径16mm内径14mm的薄壁铜管，并且每一电流极(正或负极)需要相同设计的铜管2套，因此总共需要4套。将两端分别打孔。

4.装配

将上述零件全部组装焊接，完成样品杆的制作。

有效性证明

采用本发明一种大载流临界电流样品杆的设计方法制作的样品杆已用于最大电流至约2500A的样品临界电流的测量，至今已测量千余例试样。图7(a)为采用普通铜样品杆测量的曲线。随着电流增加，受样品杆发热影响，样品尚处于超导状态下，背底电压波动很大，难以按照检测标准的判据计算出临界电流，实验失败，该杆无法测量这个载流下的临界电流。而采用本发明制作的样品杆(参见图7(b))，超导态时背底电压很稳定，可很方便的进行扣除，按照检测标准的判据计算临界电且精度高。

实施例1

2T的背场下，测量临界电流约2200A的WIC超导体；

图8为测量截面积约为3mm²左右的WIC超导体的曲线，曲线光滑，按照电场E＝0.1μV/cm的判据，测得临界电流I_C＝2061A。

实施例2

12T的背场下，测量Nb₃Sn/Cu复合超导体临界电流

图9为Nb₃Sn/Cu复合超导体测量曲线约为1.3mm²。在高场下，曲线同样光滑，按照E＝0.1μV/cm的判据，测得临界电流I_C＝1315A。目前没有至2000A临界电流的测量需求。