[發(fā)明專利]一種青銅工藝Nb3Sn超導體多芯線接頭及其制備方法

有效

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• 申請日: 2010-06-30
• 公開（公告）號: CN101888026A
• 公開（公告）日: 2010-11-17
• 發(fā)明（設計）人: 程軍勝;王秋良;戴銀明;王暉;宋守森
• 申請（專利權）人: 中國科學院電工研究所
• 主分類號: H01R4/68
• 分類號: H01R4/68;H01R43/00;H01R43/28
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 關玲

技術領域

本發(fā)明涉及一種青銅工藝Nb₃Sn超導體多芯線接頭及其制備方法。

背景技術

Nb₃Sn材料在18K低溫條件下，顯示出良好的超導電特性。它的臨界轉變溫度高于NbTi超導體材料，特別適合用于高磁場超導磁體的建造。

按照線材結構不同，制備Nb₃Sn超導線的方法主要分為青銅工藝和內(nèi)錫法兩種。青銅工藝的線材為青銅-Nb絲多芯機械復合結構。內(nèi)錫法線材為多Cu/Nb復合管內(nèi)插Sn絲的機械復合結構。以上兩種線材均需要在適當溫度下進行熱處理，通過固態(tài)擴散生成具備超導電性的Nb₃Sn化合物層，具有超導性能。青銅工藝Nb₃Sn超導體多芯線由于使用穩(wěn)定、技術成熟的特點，得到廣泛使用。青銅工藝Nb₃Sn超導體多芯線在熱處理前(青銅-Nb絲多芯機械復合線)的橫截面結構示意圖如圖1所示，其中包括：穩(wěn)定芯、Nb絲、青銅基體。

Nb₃Sn是A15結構化合物，本身具有較大的脆性，任何變形或碰撞都可能會對超導性能造成損傷。因此在實際工程中利用青銅工藝制備Nb₃Sn超導線圈的過程中，需要首先將青銅-Nb絲多芯機械復合線繞制成符合設計要求的線圈，然后將線圈整體進行熱處理，通過固態(tài)擴散反應在多芯機械復合線中生成具備超導電性的Nb₃Sn化合物，從而得到具有超導性能的Nb₃Sn超導線圈。反應后不能再改變超導線的繞向，避免發(fā)生Nb₃Sn超導線的脆斷或損傷，傷害超導性能。

在超導磁體線圈的建造過程中，超導線的焊接是關鍵技術之一。單根超導線的長度是有限的，而繞制一個大型超導磁體往往需要幾十至幾百千米的超導線，在這種情況下必須將多根超導線焊接起來保證所需的長度。同時，制造多線圈組成的超導磁體時，線圈之間的連接需要通過線圈端部導線的焊接來完成。類似地，制造由多個超導磁體組成地超導磁體系統(tǒng)時，如果要求將各個磁體串聯(lián)起來由單一電源供電，也需要將各個磁體端部首尾串聯(lián)焊接。與各個磁體單獨供電的方式相比，單一供電方式能使磁體系統(tǒng)具備更高的工作可靠性。另外，如果超導磁體要閉環(huán)運行，還需要將磁體或磁體系統(tǒng)的兩端與超導開關連接起來形成閉合回路。

在大型超導磁體建造中，超導線的繞制和超導線之間的連接是同時進行的。接頭制作的工藝質量直接影響到工程的進度。另外，大型磁體的許多接頭在磁體內(nèi)部，不能對其進行拆卸檢測和再修復，任何一個接頭的質量不好都將影響整個磁體的性能，甚至可能使整個磁體報廢。因此，在大型磁體制造中接頭必須具有很高的可靠性。對于一般的組合磁體或磁體系統(tǒng)，雖然接頭可以放在比較容易接觸的地方，但是由于整個磁體需要工作在封閉的低溫環(huán)境下，因而對接頭進行經(jīng)常性檢測和修復也是不現(xiàn)實的。因此必須保證接頭質量的高可靠性。對于閉環(huán)運行的超導磁體來說，接頭的性能還直接決定了磁體的工作性能和持續(xù)運行時間。

對超導線接頭的基本要求一方面是接頭必須要有較低的電阻。超導磁體的工作電流一般達到上百甚至上千安培量級，電阻太大會引起嚴重的焦耳熱損耗，可能導致磁體失超。對于閉環(huán)運行的超導磁體，接頭電阻導致了磁場的衰減。如果要求磁場的穩(wěn)定度達到某一水平，則要求接頭的電阻必須小于某一定的量值，例如對于NMR磁體系統(tǒng)，一般需要超導接頭的電阻不高于10^-12歐姆。另一方面是必須具有一定的機械強度和韌性來承受磁體繞制過程中的彎曲應力、工作狀態(tài)下的電磁應力、和冷卻過程中受到的收縮應力。

目前關于Nb₃Sn超導線接頭的制作方法，根據(jù)制作接頭和熱處理的先后關系主要可以分為兩類：一類在超導線熱處理前制作接頭，另一類是在超導線熱處理后制作接頭。