CN102867611A - 在高磁场下使用的二硼化镁超导线圈的超导接头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在高磁场下使用的二硼化镁超导线圈的超导接头。超导接头处的载流能力通常低于超导线本身，这是因为两根导线的晶粒连接时会形成弱连接，在载流情况下，受外磁场的影响非常大，通常很小的磁场就可以使无阻电流大幅度下降。本发明是在高磁场下使用的二硼化镁超导线圈的超导接头，包括超导屏蔽桶及与其配合插接的超导屏蔽桶盖，所述超导屏蔽桶内设有超导接头，其中，所述超导接头连接一根二硼化镁超导线的两端，所述超导屏蔽桶及超导屏蔽桶盖由高温超导块材制成，所述高温超导块材系采用顶部籽晶熔融织构生长工艺加工成型的ReBa2Cu3O7-δ畴材料，Re代表Y、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或者Lu；所述二硼化镁超导线的运行温度为4~30K。
Description
技术领域
本发明涉及一种在高磁场下使用的二硼化镁超导线圈的超导接头。
背景技术
超导体的基本特性之一是所谓的零电阻效应，即当超导体所处的环境温度低于其临界超导转变温度时，超导体就会失去电阻，此时在超导体内的电流处于无能量损耗流动状态。这种电流无损耗流动对电磁体科学和实际应用有着非常重要的意义。用常规导体(例如铜或铝)绕制的电磁体(以下简称磁体)不但体积庞大，运行时还要消耗大量的电能。也是由于能耗的原因，使得高磁场常导磁体成为不可能。与之相比，用超导体绕制的磁体体积很小，并且一次充电后可以数十年长期稳定运行而不需要补充能量。随着新型超导体的不断发现和超导材料制造技术不断取得进展，超导磁体正在得到越来越广泛的实际应用并成为必不可少的技术手段，例如正在广泛应用的磁共振成像，选矿，污水处理，晶体生长等技术都离不开超导磁体。
一般来说，超导磁体是一个超导线绕制的螺线管线圈，线圈的超导线首尾相连，形成一个闭合的超导回路，当有超导电流在其中流动时叫做闭环运行。由于超导磁体整个超导回路没有电阻，闭环运行时电流在磁体中流动几十年也不会有明显的衰减。这保证了磁场的常年稳定运行以及节省大量电能。在超导磁体中，超导接头是一个非常重要的部分。在两种情况下磁体需要用到超导接头。一种是为了使超导线圈形成闭合回路，需要将导线首尾相连。在这种情况下，通常将控制超导线圈的热开关超导线串联进去，形成线圈超导线-热开关超导线-线圈超导线的导线连接顺序，这就需要制作两个超导接头。第二种情况是，在超导线圈的绕制过程中有时一根超导线的长度不够制作整个线圈，需要连接另外一根或数根超导线，这就需要制作多个超导接头。
超导接头的制作质量直接影响磁体的性能。一般来说，超导接头处的载流能力低于超导线本身，这是因为两根导线的晶粒连接时会形成所谓的弱连接，形成弱连接的接头，在载流情况下，受外磁场的影响非常大，通常很小的磁场就可以使无阻电流大幅度下降。超导磁体在低温下运行，为了最大限度地减少不必要的能量损耗，容纳超导磁体的低温容器通常都制作得很紧凑，因此超导接头的放置位置没有更多选择，不得不放置在磁场中。这时，只有将磁场屏蔽掉，超导接头才能正常工作。
发明内容
一、要解决的技术问题
二硼化镁(MgB2)是本世纪初发明的一种新型超导材料，可以工作在绝对温度4K到39K的温度范围内，与常规超导材料相比，二硼化镁超导体的工作温度高，可以方便地使用传导冷却来提供工作环境，这可以免除使用液氦做制冷剂，有利于超导磁体在偏远地区的应用，例如磁共振成像设备在农村的普及，是非常有希望的下一代实用超导材料。与常规超导材料相比，二硼化镁的超导相干长度较短，更容易形成弱连接，所以磁屏蔽对二硼化镁接头尤为重要，直接关系到线圈是否可以工作。二硼化镁超导线材的开发经过十多年的努力已经有了很大的进展，数公里长度的线材商业化已经成功，其载流能力已经接近常规低温超导体的水平。目前二硼化镁没有获得大规模应用，很大的原因是超导接头的载流能力不过关。
二、技术方案
为解决上述技术问题，本发明在高磁场下使用的二硼化镁超导线圈的超导接头，包括有超导屏蔽桶及与其配合使用的超导屏蔽桶盖，上述超导屏蔽装置内设有超导接头，其中，上述超导接头连接了一根二硼化镁超导线的两端，上述超导屏蔽桶及超导屏蔽桶盖由高温超导块材制成，上述高温超导块材采用顶部籽晶熔融织构生长工艺加工成型的ReBa2Cu3O7-δ畴材料，其Re为Y、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或者Lu；上述二硼化镁超导线的运行温度为4~30K。
作为优化，上述二硼化镁超导线在4~30K温度区间运行的电阻小于10-11欧姆。
上述高温超导块材是一族稀土-钡-铜氧化物ReBa2Cu3O7-δ(Re代表稀土元素镧(La)，钕(Nd)，钐(Sm)，铕(Eu)，钆(Gd)，镝(Dy)，钬(Ho)，铒(Er)，铥(Tm)，镱(Yb)，镥(Lu)，钇(Y))，用顶部籽晶熔融织构生长工艺将其制备成单畴或几个畴的块材。
顶部籽晶熔融织构法制备高温超导块材的工艺过程如下，以YBa2Cu3O7-δ为例：先用普通陶瓷烧结法制备出块状超导体YBa2Cu3O7-δ，再在样品顶部放置一粒或几粒籽晶（如氧化镁），将样品加热到包晶反应温度1010°C以上，使高温超导块材发生反应：
YBa2Cu3O6.5→Y2BaCuO5+（固相）+液相
YBa2Cu3O6.5相完全分解后，使其在有梯度的温度场中缓慢冷却，这时固态的Y2BaCuO5粒子与富Ba-Cu-O液相发生包晶反应，重新生成织构的YBa2Cu3O6.5相：
Y2BaCuO5（固相）+液相→YBa2Cxu3O6.5
YBa2Cu3O6.5是半导体性质的四方相，需要在450°C左右进行加热吸氧处理，才能最后转变为超导的正交相YBa2Cu3O7-δ。
三、本发明的有益效果
二硼化镁与氧化物高温超导材料相比具有四大优势：首先，氧化物高温超导材料，特别是第二代高温超导带材，其实际应用的时间表不确定，技术上还远没有成熟。其次，氧化物高温超导材料是典型的陶瓷材料，容易发生脆断，同时陶瓷材料的焊接也是一个很大的问题。超导线圈通常是闭环情况下使用的，要通过焊接做到闭环，二硼化镁比氧化物高温超导材料要容易得多。第三，二硼化镁超导体的电流衰减速率要比氧化物高温超导材料小得多，因此适合在闭路恒流模式下使用。第四，二硼化镁造价低廉，预计承载1000安培的超导线价格仅为2~3美元／米，比通常的铜导线还要便宜，是钇钡铜氧涂层导体所不可比拟的。
二硼化镁超导线圈可以在20K温度左右运行，仅需使用小型廉价的制冷机制冷就可以维持运行温度。这将使得***可以省去使用价格昂贵的液氦，操作也大大的简化。例如，很多只有少数医院才能使用的核磁成像装置可以装上汽车，使固定装置成为移动式设备，轻松地转移到偏远地区给病人诊治，市场效应和社会效应都将是巨大的。
附图说明
图1是本发明带有超导屏蔽桶的超导接头的立体剖视图；
图2是本发明安装在超导屏蔽桶内的超导接头的剖面图。
图中，1为超导屏蔽桶，2为超导屏蔽桶盖，3为超导接头，4为二硼化镁超导线，5为超导压块，6为塞子。
具体实施方式
下面结合附图对本发明在高磁场下使用的二硼化镁超导线圈的超导接头3作进一步说明：
实施方式一：如图1所示，本发明一种在高磁场下使用的二硼化镁超导线圈的超导接头3，包括有超导屏蔽桶1及与其配合插接的超导屏蔽桶盖2，上述超导屏蔽桶1内设有超导接头3，其中，上述超导接头3连接了一根二硼化镁超导线4的两端，上述超导屏蔽桶1及超导屏蔽桶盖2由高温超导块材制成，上述高温超导块材采用顶部籽晶熔融织构生长工艺加工成型为ReBa2Cu3O7-δ畴材料，其Re为Y、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或者Lu；上述二硼化镁超导线4的运行温度为4~30K。上述畴的数量可以是一个，也可以是几个（即，少于十个）。
本实施例Re为Y，其化学式为YBa2Cu3O7-δ，其畴的数量为一个。使用YBa2Cu3O7-δ块材制作超导屏蔽桶1，其外部形状为圆柱形。按照超导接头3的具体尺寸，采用机械加工的方法，在超导屏蔽桶1上加工出一个用于容纳超导接头3的空腔，在超导屏蔽桶1的端部插接一超导屏蔽桶盖2。上述超导接头3包括一个柱形中空铜或不锈钢制成的外壳，上述二硼化镁超导线4的两端穿过外壳的一端面，伸入到外壳内，在外壳的一端面开有通孔，外壳内部填充有MgB2粉末，塞子6将外壳封闭，而伸入到外壳内的二硼化镁超导线4的端头已去除外部的金属包套层，使二硼化镁超导线4的芯子与粉末MgB2紧密接触，使形成超导通路。在超导接头3的一端设有一个与超导屏蔽桶一样材料的超导压块，并通过超导屏蔽桶盖2压紧。同时，超导接头3和屏蔽套桶之间的缝隙用铋铅锡镉焊料填充,用以固定超导接头3，使超导结构在空腔内不会产生晃动。
经检测，超导屏蔽桶1在绝对温度4K~30K之间运行，在该温区，被屏蔽的磁场大于5特斯拉，超导屏蔽桶1内漏磁为2.0毫特，运行电阻为10-11欧姆。
实施方式二：本实施例与实施方式一基本相同，所不同的是：本实施例ReBa2Cu3O7-δ具体为GdBa2Cu3O7-δ，其畴的数量为四个。经检测，超导屏蔽桶1在绝对温度4K~30K之间运行，在该温区被屏蔽的磁场大于5特斯拉，超导屏蔽桶1内漏磁为1.0毫特，运行电阻为10-12欧姆。
实施方式三：本实施例与实施方式二基本相同，所不同的是：本实施例ReBa2Cu3O7-δ具体为NbBa2Cu3O7-δ，其畴的数量为四个。经检测，超导屏蔽桶1在绝对温度4K~30K之间运行，在该温区被屏蔽的磁场大于5特斯拉，超导屏蔽桶1内漏磁为1.5毫特，运行电阻为10-12欧姆。
实施方式四：本实施例与实施方式二基本相同，所不同的是：本实施例ReBa2Cu3O7-δ具体为HoBa2Cu3O7-δ，其畴的数量为四个。经检测，超导屏蔽桶1在绝对温度4K~30K之间运行，在该温区被屏蔽的磁场大于5特斯拉，超导屏蔽桶1内漏磁为1.5毫特，运行电阻为10-12欧姆。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种在高磁场下使用的二硼化镁超导线圈的超导接头，包括超导屏蔽桶及与其配合插接的超导屏蔽桶盖，所述超导屏蔽桶内设有超导接头，其特征在于：所述超导接头连接一根二硼化镁超导线的两端，所述超导屏蔽桶及超导屏蔽桶盖由高温超导块材制成，所述高温超导块材系采用顶部籽晶熔融织构生长工艺加工成型的ReBa2Cu3O7-δ畴材料，Re代表Y、La、Nd、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或者Lu；所述二硼化镁超导线的运行温度为4~30K。
2.根据权利要求1所述的在高磁场下使用的二硼化镁超导线圈的超导接头，其特征在于：所述二硼化镁超导线在4~30K温度区间运行的电阻小于10-11欧姆。
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