CN101432930A - 两个超导体的末端件之间的超导连接和建立这种连接的方法 - Google Patents

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Abstract

一种超导连接(10)，其用于两个超导体(12，22)的末端件(12，22a)的接触，所述超导体各自具有至少一个由超导材料构成的导体引线(13，23)，所述导体引线嵌在由常导材料构成的基质中。在套管或套筒(6)中的连接区内，所述末端件(12a，2a)的导体引线(13，23)以至少部分去除所述基质材料的方式进行布置，还存在有用作超导接触材料(7)的二硼化镁(MgB2)材料，其至少位于所述导体引线(13，23)之间的区域内。为建立所述连接(10)，应减缩充填套管或套筒(6)的截面。

Description

两个超导体的末端件之间的超导连接和建立这种连接的方法
技术领域
本发明涉及一种在至少两个超导体的末端件之间的超导连接或超导连接装置，所述超导体各自具有由常导材料构成的基质和至少一个由超导材料构成的导体引线，其中，在套管或套筒中的连接区内，
—所述末端件的导体引线以至少部分去除所述基质材料的方式进行布置，以及
—还存在有超导接触材料，所述超导接触材料至少位于所述导体引线之间的区域内。
相应的超导连接和建立这种连接的方法可从DE 34 13 167 A1中获得。
背景技术
使用LTC(低临界温度，Low-Tc)超导材料或HTC(高临界温度，High-Tc)超导材料的超导体通常被制成导体长度有限的单芯导体或多丝导体。在这类导体采用相应的导体结构的情况下，至少一个超导导体引线(或至少一个超导导体线丝)嵌在由常导材料构成的基质中。用这类超导体制备超导装置(例如磁体绕组)时，需要使相应导体的末端件彼此接触或彼此相连。
某些超导磁体绕组，例如用于磁共振断层摄影仪(又称“核磁共振(NMR)断层摄影仪”)的超导磁体绕组，须在所谓的“持续电流模式”(英文为“persistent current mode”)下工作。为此须将磁体绕组短接，使设定的磁体绕组电流在没有电源的情况下在时间上实际不受限地继续流动。但这要求磁体绕组的通电回路实际不具有电阻。为此也须在单个超导体之间建立超导连接。但这种超导连接对磁场的反应很灵敏。也就是说，当磁场或磁感强度超过某个极限值(通常介于1特斯拉和2特斯拉之间)时，连接就会显示出一定的电阻，从而使持续电流模式无法实现。在磁感强度为3特斯拉或以上的超导强磁体情况下，这会带来问题，因为连接须建立在本地磁场低于上述极限值的位置上。当磁场极强时，甚至无法建立连接。
例如《IEEE应用超导学报》(第9卷，第2号，1999年6月，第185至187页)中公开过一种位于两个超导体的末端件之间的超导连接。建立这个连接时，例如通过蚀刻技术使超导体待连接末端件处的线丝裸露，随后将超导焊料用作接触材料来使这些线丝彼此相连。通常将铅化合物用作焊料，例如合金Pb27-Bi50-Sn12-Cd10(即所谓的“伍德合金”)或基于Pb-Bi合金或Pb-Bi-Sn合金的类似焊料。所有这些焊料在温度为4.2K(即常压下的液氦温度)时均具有最高约为2特斯拉的上临界磁场Bc2。超过这个临界磁场的磁场会使焊料失去其超导性能，因而通常不适用于强磁场接触的建立。
从《低温工程》(第30卷(增刊)，1990年，第626至629页)中可获知适用于两个超导体的末端件的其他连接技术。此处并不使用具有辅助建立/促进接触作用的中间材料，而是借助点焊(通过对压力和温度的应用)直接将超导体连接或挤压在一起。但相应连接的载流能力通常低于导体本身。其中所出现的问题是，线丝允许进行点接触，但不允许大面积接触。而随着磁场强度的增大，载流能力会进一步减小，因此，即便是这种连接，其对于很多超导强磁场接触而言也是不适用的。
从开篇所提及的DE 34 13 167 A1中可获得一种在超导体之间建立超导接触的方法，其中，在由导体原料构成的导体末端件处，在套管中对不具有基质材料的导体引线和某种用作中间材料的粉末材料一起进行加压处理和热处理。所用的粉末材料所需满足的条件是，在上述处理中借助所选粉末材料进行处理也能将导体原料转变成超导材料。但这一过程需要使用例如超过600℃的高温。因此，这种已知方法极为复杂，在很大程度上不具备可用性。
发明内容
本发明的目的是在超导体之间的末端件处建立连接或连接装置，这种连接或连接装置一方面在其载流能力不发生下降的情况下可实现高达1特斯拉、特定而言高达2特斯拉以上的磁感强度，此外还易于建立。本发明的另一目的是提供一种以简单的方式建立相应连接的适当方法。
与开篇所述类型的超导连接相关的目的通过根据权利要求1所述的特征而达成。据此，在与开篇所述特征相关的连接中，应将二硼化镁(MgB2)选用为接触材料。
超导连接的这种建构方案的优点主要在于，所述连接
—可应用于强磁场，
—易于建立，成本低廉，
—通常只需对待连接部件进行挤压处理，这样就无需进行特殊的热处理，
—坚固且稳定，特别是相对于磁通跳跃而言，以及
—无需像已知焊料连接那样使用从环保角度看令人担忧的铅。
相应连接在超导磁体中的使用可以实现强磁场环境中的持续电流模式，例如要求磁共振断层摄影仪中的强磁体所具有的持续电流模式。
本发明的超导连接的有利建构方案可从权利要求1的从属权利要求中获得。其中，可将权利要求1所述的实施方式与任意一个或优选多个从属权利要求的特征相结合。据此，本发明的连接还可具有下列特征：
·优选在低于MgB2接触材料39K的临界温度的温度下进行操作。借此可确保套管或套筒内整个结构的超导性能。其中，当然可对待连接超导体超导材料的临界温度加以考虑，因此，如果需要，可能冷却至远低于39K的温度。
·可在液氦温度(约为4.2K)下设置工作温度，在这个工作温度下可以使用超导技术的已知设备。
·超导导体引线可含有已知的金属LTC(Low-Tc)超导材料或已知的氧化HTC(High-Tc)超导材料。这两种材料都可通过MgB2接触材料实现良好的电气连接。当然，由MgB2(被视为HTC材料)构成的导体引线也可按本发明的方法进行连接。
·特别有利的是，所述超导连接可被布置到磁体的超导磁体绕组(如磁共振断层摄影系统的磁体的超导磁体绕组)。因为适用于强磁场应用的磁体的建构需要使用在磁场中具有较高载流能力的超导连接。MgB2接触材料可确保相应的应用。
·鉴于这一特性，所述超导连接特别适用于设计为用于持续电流模式的超导磁体绕组。
与所述方法相关的目的通过根据权利要求9所述的措施而达成。据此，在主张权利的超导连接方面设置下列措施：
—在待连接末端件处，至少部分去除超导导体引线上的基质材料，
—将去除后的导体引线装入套管或套筒内，
—再将MgB2接触材料装入套管或套筒内，以及
—减缩充填后的套管或套筒的截面。
所述方法的特点主要是简单方便。因为在很多情况下，仅通过截面缩小这一措施就足以建立预期连接，这种连接也能在强磁场条件下使用。
用于建立超导连接的方法的有利建构方案可从权利要求9的从属权利要求中获得。其中，可将权利要求9所述的实施方式与权利要求9的任意一个或优选多个从属权利要求的特征相结合。据此，所述方法还可具有下列特征：
·将粉末状MgB2接触材料装入套管或套筒内。借此可实现超导部件与接触材料之间密集接触的紧凑结构。
·减缩截面之后或在减缩截面的过程中对充填套管或套筒进行热处理。借此可在强磁场情况下的载流能力方面使不同材料所构成的复合结构得到进一步改善。
·为此可在低于600℃、优选低于250℃的温度下进行热处理。在相对较低的温度下所进行的热处理可以借助简单的构件而实现。
附图说明
下面借助附图所示的本发明超导连接的两个优选实施例对本发明作进一步说明，其中：
图1为已知多丝超导体的截面图，说明如何使用这种多丝超导体来建立本发明的超导连接的方法；
图2为这种连接的第一实施方式的结构的局部截面图；以及
图3为这种连接的其他实施方式的结构的局部截面图(图示方式与图2相符)。
具体实施方式
相同部件在各附图中用相同附图标记表示。
图1所示的超导体是以已知的实施方式为基础。其中，既可涉及所谓的单芯(Monocore)超导体，也可涉及如附图所示的多丝超导体。这种超导体2具有多个嵌在基质4中的超导导体引线或线丝3i，基质4由常导材料构成。所有已知的低温或高温超导材料均可用作导体引线3i的材料，例如NbTi、Nb3Sn、MgB2、YBa2Cu3Ox或(Bi，Pb)2Sr2Ca2Cu3Oy。基质所用的已知材料或者是元素(例如Cu、Ni、Ag、Fe、Wo、Al)，或者是合金，特别是这些元素所构成的合金(例如CuNi、AgMg、CuSn、CuZn或NiCr)。
为能借助连接或连接装置使相应的多丝超导体或单芯超导体的至少两个末端件按本发明的方法进行低电阻接触，须在末端件区域内使末端件的至少一个超导导体引线3i至少部分裸露，即通过这方面的已知技术(例如化学蚀刻、机械移除，特别是斜磨)至少部分去除超导导体引线3i上的基质材料。图2显示的是这样两个超导体12和22，其可具有如图1所示的结构。其中，其末端件分别用12a和22a表示，相应地完全裸露的导体引线用13和23表示。这些导体引线与一种特殊的接触材料7一起被装入套筒6或套管(参见图3)中。此处的套筒或套管至少可理解成任意一种以已知方式容纳导体引线和接触材料、且至少将其部分包围的元件，借助这种元件可使装入该元件中的部件紧凑致密，或使其截面变小。
在本发明中被用作接触材料的二硼化镁(MgB2)是一种(常压下)临界温度约为Tc＝39K、(4.2K时)上临界磁场Bc2超过40特斯拉的超导材料。因此，二硼化镁也可应用于强磁场，例如应用在磁共振断层摄影仪的强磁体中。因此，根据本发明的连接优选地在温度低于39K(例如在4.2K)时在使用MgB2接触材料的情况下进行工作，其中，使用已知的冷却技术，例如液氦冷却。市场上销售的MgB2呈粉末状。通过对MgB2进行适当的挤压或辊压，MgB2无需接受热处理(即退火)就能承载超导电流(参见《应用物理快报》第79卷，2001年，第230至233页)。由于临界温度相对较高，这种材料对例如磁通跳跃、导体运动或工作温度的非期望升高(会引起所谓的失超)这样的干扰特别不灵敏。
有待装入裸露导体引线13、23和粉末状MgB2接触材料7的套筒6优选由变形性能良好的金属材料构成。此处适用的材料有主要材料(例如Cu、Ni、Ag、Nb或Fe)和合金(例如钢、NbTi、NiCr或CuZn)。主要在套筒6中导体引线13和23并非直接接触的区域内，在导体引线之间的间隙中填入MgB2粉粒7，为清楚起见，附图仅对其中的部分MgB2粉粒进行了图示。随后通过至少对待连接导体末端件进行截面缩小处理(例如通过挤压或辊压)来建立导体引线之间的预期接触。必要时还可通过退火(优选在低于250℃的相对较低温度下进行)来改善这一接触措施。当然，必要时也可采用高达600℃及600℃以上的更高退火温度(例如参见《IEEE应用超导学报》，第15卷，第2号，2005年6月，第3211至3214页)。通过这种方式所获得的连接在附图中整体上用附图标记10表示。
图3显示的是整体上用20表示的超导连接的另一实施方式，其与图2所示的超导连接10之间的区别在于，此处的两个超导体12和22实现接触的方式是，这两个超导体的在其末端件12a和22a区域内裸露的导体引线13和23彼此逆向地与MgB2粉粒7一起被装入套管9内，并在此处被挤压在一起。
图2和图3所示的超导连接或超导连接装置10和20的实施方式的前提是，超导体12和22的末端件12a和22a上的基质4的材料已完全被移除。必要时也可通过机械或化学方法移除末端件区域内部分导体(例如一半截面)上的基质材料，其结果是，在剩余结构的表面上，部分导体引线呈裸露状(例如参见EP 0 556 837 A1)。随后按本发明的方法嵌入MgB2接触材料，通过上述方式将两个导体末端件的裸露表面接合并连接在一起。
此外，对于图2和图3的图示内容，假定了每次只有两个超导体12和13在其末端件12a和13a处彼此电气相连。当然也可在套筒6或套管9中装入超过这个数目的末端件，例如装入三个超导体的末端件，并在此处按本发明的方法将其彼此相连。

Claims (12)

1.一种在至少两个超导体(12，22)的末端件(12，22a)之间的超导连接(10，20)，所述超导体各自具有由常导材料构成的基质(4)和至少一个由超导材料构成的导体引线(13，23)，其中，在套管(9)或套筒(6)中的连接区内，
所述末端件(12a，22a)的导体引线(13，23)以至少部分去除所述基质材料的方式进行布置，以及
还存在有超导接触材料(7)，所述超导接触材料至少位于所述导体引线(13，23)之间的区域内，
其特征在于，
所述接触材料(7)为二硼化镁(MgB2)材料。
2.根据权利要求1所述的超导连接，其特征在于，
在低于所述MgB2接触材料(7)39K的临界温度的温度下进行操作。
3.根据权利要求2所述的超导连接，其特征在于，约为4.2K的液氦温度下的工作温度。
4.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的超导连接，其特征在于，
所述超导导体引线(13，23)含有LTC(低Tc)超导材料。
5.根据权利要求2或3所述的超导连接，其特征在于，
所述超导导体引线(13，23)含有HTC(高Tc)超导材料。
6.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的超导连接，其特征在于，
所述超导连接被布置到磁体的超导磁体绕组。
7.根据权利要求6所述的超导连接，其特征在于，
所述超导连接被布置到磁共振断层摄影系统的磁体的超导磁体绕组。
8.根据权利要求6或7所述的超导连接，其特征在于，
所述超导连接被布置到设计为用于持续电流模式的超导磁体绕组。
9.一种用于建立根据上述权利要求中任一项权利要求所述的超导连接的方法，其特征在于，
在待连接末端件(12a，22a)处，至少部分去除超导导体引线(13，23)上的基质材料，
将去除后的导体引线(13，23)装入套管(9)或套筒(6)内，
再将MgB2接触材料(7)装入所述套管(9)或套筒(6)内，以及
减缩充填后的套管(9)或套筒(6)的截面。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，
将粉末状MgB2接触材料(7)装入所述套管(9)或套筒(6)内。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，
减缩截面之后或在减缩截面的过程中，对充填的套管(9)或套筒(6)进行热处理。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，
在低于600℃、优选地低于250℃的温度下进行所述热处理。
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