CN102723160B - 一种超导磁体接头及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种超导磁体接头，包括接头座和连接其上的铜套，超导线穿过所述接头座和铜套并焊接为超导接头，所述铜套与所述超导接头之间为灌封的焊料。本发明超导线外层镀有铅铋导体且形成超导接头，超导接头焊接长度不小于75mm，保证了超导接头连接的两根超导线终端具有足够大的电接触面积，可以有效的降低接头电阻。伍德合金起到补充和加强作用，同时采用高电导率的无氧铜套固定超导接头，进一步了降低电阻。超导接头在热处理后完成，可有效避免热处理时对超导接头绝缘的损坏，而且对超导接头的制作和维修提供了更大的自由度，且制作方法简单，易于操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种超导磁体接头，尤其涉及一种超导磁体接头，本发明还涉及该超导磁体接头制作方法。
背景技术
铌三锡（Nb3Sn）相比于铌钛（NbTi）在临界温度、临界电流和临界磁场等重要参数方面呈现出更好的优越性。Nb3Sn临界温度约18K，而且4.2K时临界磁场强度达到28T。在相同的背景场及4.2K温度时，Nb3Sn的临界电流密度是NbTi的3倍。因此，Nb3Sn是制作高性能超导磁体的良好材料，尤其适用于制造高场超导磁体。
但是，由于Nb3Sn属于化合物型脆性材料，任何变形或碰撞都可能会对其超导性能造成损伤，因此在实际工程中绕制Nb3Sn线圈，首先需要将绝缘了的Nb3Sn超导线绕制在骨架上，做成符合设计要求的线圈，然后将线圈整体进行热处理，通过固态扩散反应生成具备超导电性的Nb3Sn，从而得到具有超导性能的Nb3Sn超导线圈。反应后不能再改变超导线的绕向，以避免发生Nb3Sn超导线的脆断或损伤。
鉴于NbTi导体易于绕制、价格较低，同时，为了避免Nb3Sn磁体时而出现的低场不稳定性，实用高场超导磁体往往制造成NbTi-Nb3Sn混合超导磁体。将Nb3Sn内插线圈与NbTi线圈串联使用，这就需要制作NbTi-Nb3Sn接头。如果Nb3Sn线圈绕制了至少两根Nb3Sn线，则需要制作Nb3Sn-Nb3Sn接头。另外，由于整个磁体工作在封闭的低温环境下，对接头进行经常性检测和修复是不现实的，因此必须保证接头质量的高可靠性。这样，制作低电阻、高机械强度、高传输电流的超导接头是非常重要的。
超导接头的基本要求是超导接头必须要有较低的电阻。超导磁体的工作电流一般达到几十安到上百安，电阻太大会引起严重的焦耳热损耗，可能导致磁体失超，严重时损伤磁体。对于闭环运行的超导磁体，接头电阻过大会导致磁场的衰减。如果要求磁场的稳定度达到某一水平，则要求接头的电阻必须小于某一定的量值，例如对于NMR磁体***，一般需要超导接头的电阻不高于10-12欧姆；同时超导接头必须具有一定的机械强度和韧性，来承受工作状态下的电磁应力和冷却过程中受到的收缩应力；另外，超导接头还必须能够传输较高的磁体运行电流。
目前超导磁体Nb3Sn接头制作主要分为两类：一类是在超导线热处理前制作接头，另一类是在超导线热处理后制作接头。前一类方法中，中国科学院电工研究所专利201010221920.8公布了一种青铜工艺Nb3Sn超导体多芯线接头及其制备方法，国外也有相关专利公布，其制作工艺繁琐，为一次成型，热处理后接头如果处理不好，磁体有损坏的巨大风险。后一类方法中，美国GE公司曾采用化学气相沉积(CVD)在接头上沉积超导层的方法，该方法工艺复杂、环境要求苛刻，并不适合工程使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有较低接触电阻的超导磁体接头，其机械强度高，不易损坏。
本发明的另一个目的在于提供上述超导磁体接头的制作方法。
本发明的目的是这样实现的，一种超导磁体接头，包括接头座和连接其上的铜套，超导线穿过所述接头座和铜套并焊接为超导接头，所述铜套与所述超导接头之间为灌封的焊料。
所述两根超导线为两根铌三锡超导线或一根铌三锡超导线和一根铌钛超导线；所述接头座端面和侧面分别设有引线孔。
所述超导磁体接头装置还包括封套，所述封套螺纹连接在所述接头座上且套装在所述铜套上；所述接头座和封套均为不锈钢材料，所述铜套为无氧铜材料。
本发明的另一个目的是这样实现的，上述超导磁体接头制作方法，包括制作超导接头，所述制作超导接头为将经过热处理且固定在所述接头座的超导线进行焊接形成超导接头，将所述铜套固定在所述接头座上，并在所述铜套和所述超导接头之间灌封焊料。
所述灌封焊料为将所述铜套加热后浸入熔化的伍德合金焊料中，浸入长度80～85mm，温度范围为140～160℃；所述伍德合金的熔点范围在90～110℃。
所述超导磁体接头制作方法中还包括模具，所述模具上设有夹持、固定所述超导线的夹缝且可插装在所述接头座上；所述超导线热处理前，将所述模具插装进所述接头座上，将从骨架上抽出的超导线排列平齐，紧密靠拢，引入所述接头座和模具中固定，然后进行热处理。
上述制作超导接头还包括将灌封焊料的超导接头冷却，然后将所述封套固定在所述接头座上。
所述制作超导接头中的所述焊接形成超导接头包括焊锡和镀铋铅，所述焊锡为将两根超导线浸入熔化的锡焊料中，通过扩散反应去除铜基体，并在超导线上镀锡；所述镀铋铅为将镀锡的两根超导线浸入熔化的铅铋焊料中，分段缓慢取出超导线，在超导线外层形成铅铋导体，冷却形成超导接头。
所述两根超导线浸入熔化的锡焊料中的浸入长度40～45mm，温度范围为280～310℃，保持时间约30分钟；所述镀锡的两根超导线浸入熔化的铅铋焊料中的浸入长度40～45mm，温度范围为285～315℃，保持时间约18分钟。
所述制作超导接头中的所述焊接之前要进行腐蚀，所述腐蚀为用水、硝酸或水、硝酸和氢氟酸的混合液腐蚀所述超导线（4）外表面，使其露出光洁的纯铜，其腐蚀长度为75～85mm，腐蚀时间为15～20秒。然后用清水漂洗3次，并用丙酮清洁干燥；所述水和硝酸混合液的体积配比为水占40%～50%，硝酸占60%～50%，所述水、硝酸和氢氟酸混合液体积配比为水占35%～45%，硝酸占50%～45%，氢氟酸占15%～10%。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明超导接头机械主体由不锈钢接头座和不锈钢封套组成，机械强度高。超导线外层镀有铅铋导体且形成超导接头，超导接头焊接长度不小于75mm，保证了超导接头连接的两根超导线终端具有足够大的电接触面积，可以有效的降低接头电阻。伍德合金起到补充和加强作用，同时采用高电导率的无氧铜套固定超导接头，进一步了降低电阻。
2、本发明超导线接头的两根超导线外层形成铅铋导体，其在背景场1.0T以下呈现超导性能，而且载流能力在450A/mm2以上，直接降低了接头电阻。铜套与超导接头之间内灌封伍德合金，其在背景场1.5T以下呈现超导性能，超导线间能够有更好的电接触。
3、本发明超导接头安装在低场区，最高场小于1.0T，可以降低超导接头的磁滞损耗。
4、本发明所用模具结构简单，使用方便，可有效固定超导接头部分。
5、本发明在热处理后完成超导接头，并采用模具固定超导线，有效地防止了热处理后Nb3Sn超导线的损伤，而且对超导接头的制作和维修提供了更大的自由度，且制作方法简单，易于操作。
附图说明
图1为本发明实施例接头结构示意图；
图2为本发明实施例模具结构示意图；
图3为本发明实施例接头座与模具固定连接示意图；
图4为本发明实施例1超导接头剖面示意图；
图5为本发明实施例2超导接头剖面示意图。
图中，1.接头座，2.铜套，3.封套，4.超导线，5.模具，6.铌钛超导线，7.伍德合金，8.Nb阻隔层，9.铅铋导体，10.铌三锡超导线。
具体实施方式
实施例1，一种超导磁体接头，参见图1，包括固定在座板上的接头座1和连接其上的铜套2、封套3，两根超导线4均为铌三锡超导线10并从接头座1端面的引线孔引进，焊接为超导接头，铜套2与超导接头之间为灌封的伍德合金7，参见图4，两根铌三锡超导线10周围包括Nb阻隔层8、铅铋导体9、伍德合金7及铜套2；封套3通过螺纹连接在接头座1上，用于保护超导接头1和屏蔽磁场；为了保证高机械强度，接头座1和封套3均为不锈钢材料，为了降低超导接头电阻，铜套2为无氧铜材料。
该超导接头的制作方法为：
一、热处理前，将从骨架抽出的两根Nb3Sn超导线10排列平齐，紧密靠拢，引到接头座1内的模具5中固定。模具5为夹板式且由两个半圆柱构成，有夹持、固定超导线4的夹缝且可插装在接头座1上。
二、进行热处理，按照Nb3Sn超导线材的热处理工艺，RT8h/205℃×72h/4h/400℃×48h/6h/695℃×17h/14h/RT，热处理后形成Nb3Sn。
三、制备Nb3Sn超导接头：去掉接头座1内的模具5，为方便操作将接头座1倒置，首先腐蚀Nb3Sn超导线10，其腐蚀长度为75～85mm，腐蚀时间为15～20秒。使Nb3Sn超导线10外表面露出光洁的纯铜，然后用清水漂洗3次，并用丙酮清洁干燥。在接头座1上安装模具5，并缓慢调节模具5的夹缝，使两根Nb3Sn超导线10外表面接触；然后将固定好的Nb3Sn超导线10浸入熔化的锡焊料中，该锡焊料纯度为99.9%，浸入长度40-45mm，并控制锡焊料温度范围在280～310℃，同时保持约30分钟，通过扩散反应去除Nb3Sn铜基体，并在Nb阻隔层8外镀一层锡；然后，小心取掉模具，将镀锡的Nb3Sn超导线浸入熔化的铅铋焊料中，浸入长度40～45mm，温度范围为285～315℃，保持约18分钟，然后分段缓慢取出接头，在Nb3Sn超导线10外层形成铅铋导体9，形成Nb3Sn-Nb3Sn超导接头。将铜套2固定在接头座1内，铜套2管壁厚1～2mm，管底厚2～3mm.用热风筒加热铜套2，将加热的铜套2浸入熔化的伍德合金7焊料即铋铅镉锡合金中，浸入长度80～85mm，温度范围为140～160℃。待伍德合金7焊料完全灌封于Nb3Sn-Nb3Sn超导接头与铜套2之间后，在铜套2下放置热沉使伍德合金7冷却。最后，将封套3固定在接头座1上起到保护接头和屏蔽磁场的作用，超导体接头制备完成。经试验测试，4.2K，背景场1T时，接头电阻达到1.8×10-12Ω。
实施例2，一种超导磁体接头，参见图1，包括固定在座板上的接头座1和连接其上的铜套2、封套3；为了方便两根超导线材料不相同时制作超导接头，接头座1端面和侧面分别设有引线孔。本实施例中两根超导线4为一根铌三锡超导线10和一根铌钛超导线6，并分别从接头座1端面和侧面的引线孔引进并焊接为超导接头，参见图5，铌三锡超导线10和铌钛超导线6周围包括Nb阻隔层8、铅铋导体9、伍德合金7及铜套2；铜套2与超导接头之间为灌封的伍德合金7；封套3通过螺纹连接在接头座1上保护超导接头1和屏蔽磁场；为了保证高机械强度，接头座1和封套3均为不锈钢材料，为了降低超导接头电阻，铜套2为无氧铜材料。
该超导接头的制作方法为：
一、热处理前，将骨架抽出的单根Nb3Sn超导线10拉直，引到不锈钢接头座1内的模具5中固定。
二，进行热处理，按照Nb3Sn超导线材的热处理工艺RT8h/205℃×72h/4h/400℃×48h/6h/695℃×17h/14h/RT进行热处理后形成Nb3Sn。
三、制作超导接头：去掉接头座1内的模具5，为方便操作将接头座1倒置，首先用水、硝酸和氢氟酸混合液腐蚀Nb3Sn超导线10，其腐蚀长度为75～85mm，腐蚀时间为15～20秒。使其外表面露出光洁的纯铜，然后用清水漂洗3次，并用丙酮清洁干燥。按照工艺要求，截取合适长度的铌钛超导线6，如图3所示，弯曲铌钛超导线6，使其配合Nb3Sn超导线10长度，接着用水、硝酸和氢氟酸混合液腐蚀铌钛超导线6端部外表面，混合液中水占35%～45%，硝酸占50%～45%，氢氟酸占15%～10%，使铌钛超导线6外表面露出光洁的纯铜。分别将Nb3Sn超导线10和铌钛超导线6浸入熔化的锡焊料（纯度为99.9%）中，浸入长度40-45mm，并控制锡焊料温度范围在280～310℃，同时保持约30分钟，通过扩散反应去除Nb3Sn超导线10铜基体和去除铌钛超导线6铜基体，在Nb阻隔层8外镀锡，在铌钛超导线6芯丝外包裹锡，将锡焊后的铌钛超导线6放入接头座1中，使Nb3Sn超导线10和铌钛超导线6两根线排列平齐，接着将模具5插装进接头座1上，并缓慢调节模具夹缝，使Nb3Sn超导线10和铌钛超导线6外表面接触。将镀锡的Nb3Sn超导线10和铌钛超导线6浸入熔化的铅铋焊料中，浸入长度40～45mm，温度范围为285～315℃，保持约18分钟，然后分段缓慢取出接头，在Nb3Sn超导线10和铌钛超导线6外形成铅铋导体9，形成Nb3Sn-NbTi超导接头，然后取掉模具5，将图1所示铜套2固定在接头座1内，铜套2管壁厚1～2mm，管底厚：2～3mm。用热风筒加热铜套2，将铜套2浸入熔化的伍德合金焊料（即铋铅镉锡合金）中，浸入长度80～85mm，温度范围为140～160℃。待伍德合金7焊料完全灌封于Nb3Sn-NbTi接头与铜套2之间后，使伍德合金7冷却。最后，将封套3固定在接头座1上起到保护超导接头和屏蔽磁场的作用。超导体接头制备完成。经试验测试，4.2K，背景场1T时，接头电阻达到2.5×10-12Ω。
Claims (9)
1.一种超导磁体接头，其特征在于：包括接头座（1）和连接其上的铜套（2），两根超导线（4）穿过所述接头座（1）和铜套（2）并焊接为超导接头，所述铜套（2）与所述超导接头之间为灌封的焊料；所述灌封焊料为将所述铜套（2）加热后浸入熔化的伍德合金焊料中，浸入长度80～85mm，温度范围为140～160℃；所述伍德合金的熔点范围在90～110℃。
2.如权利要求1所述的超导磁体接头，其特征在于：所述两根超导线为两根铌三锡超导线或一根铌三锡超导线、一根铌钛超导线；所述接头座（1）端面和侧面分别设有引线孔（1）。
3.如权利要求1或2所述的超导磁体接头，其特征在于：还包括封套（3），所述封套（3）连接在所述接头座（1）上且套装在所述铜套（2）上；所述接头座（1）和封套（3）均为不锈钢材料，所述铜套（2）为无氧铜材料。
4.如权利要求3所述的超导磁体接头制作方法，包括制作超导接头，其特征在于：所述制作超导接头为将经过热处理且固化在所述接头座（1）的超导线（4）进行焊接形成超导接头，将所述铜套（2）固定在所述接头座（1）上，并在所述铜套（2）和所述超导接头之间灌封焊料。
5.如权利要求4所述的超导磁体接头制作方法，其特征在于：还包括模具（5），所述模具（5）上设有夹持、固定所述超导线（4）的夹缝且可插装在所述接头座（1）上；所述超导线（4）热处理前，将所述模具（5）插装进所述接头座（1）上，将从骨架上抽出的超导线（4）排列平齐，紧密靠拢，引入所述接头座（1）和模具（5）中固定，然后进行热处理。
6.如权利要求4所述的超导磁体接头制作方法，其特征在于：将所述灌封焊料的超导接头冷却，将所述封套（3）固定在所述接头座（1）上。
7.如权利要求4所述的超导磁体接头制作方法，其特征在于：所述制作超导接头中的所述焊接形成超导接头包括焊锡和镀铋铅，所述焊锡为将两根超导线（4）浸入熔化的锡焊料中，通过扩散反应去除铜基体，并在超导线上镀锡；所述镀铋铅为将镀锡的两根超导线（4）浸入熔化的铅铋焊料中，分段缓慢取出超导线，在超导线外层形成铅铋导体，冷却形成超导接头。
8.如权利要求7所述的超导磁体接头制作方法，其特征在于：所述两根超导线（4）浸入熔化的锡焊料中的浸入长度40～45mm，温度范围为280～310℃，保持时间约30分钟；所述镀锡的两根超导线（4）浸入熔化的铅铋焊料中的浸入长度40～45mm，温度范围为285～315℃，保持时间约18分钟。
9.如权利要求4所述的超导磁体接头制作方法，其特征在于：所述制作超导接头中的所述焊接之前要进行腐蚀，所述腐蚀为用水、硝酸或水、硝酸和氢氟酸的混合液腐蚀所述超导线（4）外表面，使其露出光洁的纯铜，其腐蚀长度为75～85mm，腐蚀时间为15～20秒。然后用清水漂洗3次，并用丙酮清洁干燥；所述水和硝酸混合液的体积配比为水占40%～50%，硝酸占60%～50%，所述水、硝酸和氢氟酸混合液体积配比为水占35%～45%，硝酸占50%～45%，氢氟酸占15%～10%。
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