CN101446595B - 一种高温超导带材临界电流特性测试用的样本架 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高温超导带材临界电流特性测试用的样本架，该样本架垂直穿过铁芯空气隙，其上部通过旋转杆接出到低温杜瓦盖外部，通过一个带有角度刻度的旋转把手，控制超导带材样本的旋转角度，从而通过改变超导带材的旋转角度等效实现了背景磁场方向的变化，该样本架还连接有可旋转的连接杆，所述连接杆的一端在杜瓦内部连接超导带材的样本架，另一端伸出杜瓦法兰盖并连接带有角度刻度的旋转把手，通过旋转把手的转动，实现超导带材的旋转。该样本架可以简单、快速的计算温度、背景磁场及其磁场方向变化的影响因素，适合于YBCO高温超导带材临界电流特性的测量。
Description
技术领域
本发明涉及第2代高温超导带材临界电流特性的测试装置，特别涉及到YBCO超导带材在不同温度区间，在不同背景磁场及磁场方向下临界电流特性的测量装置中的样本架。
背景技术
1991年日本藤仓公司(Fujikura)采用离子束辅助沉积法(IBAD)，真空条件下在柔软非织构的金属(一般为镍合金)带上获得了一层高度织构钇稳定的氧化锆(YSZ)膜，接着又用脉冲激光沉积(PLD)工艺，在该基带涂层上外延沉积了钇系氧化物YBCO，宣告第2代高温超导带材的问世。随后，美国洛斯阿拉莫斯实验室(LANL)对这些工艺进行了优化，于1995年宣布制成在77K温度下超导临界电流密度达到1MA/cm2的短样，这一结果引起了世界范围的轰动，并吸引了越来越多的研究机构和科学家的介入。
较之第1代BSCCO高温超导带材，第2代YBCO高温超导带材具有一系列明显的优势：物理特性上电流密度更高，发生超导的临界温度有进一步提高的潜能；交流损耗低，较容易通过一定形式来限制故障电流；在液氮温区在较高的磁场下具有比第1代高温超导材料更好的载流能力，其超导电性的各向异性比较弱；最重要的是省去了贵金属银，理论成本远低于第一代。
在超导带材的整体性能中，临界电流特性是其中最重要的特性之一。YBCO超导带材的临界电流随温度、背景磁场和磁场方向的变化规律是高温超导应用的重要参量，也是衡量超导带材质量的重要技术指标。
YBCO高温超导带材的Jc-B-θ临界电流特性曲线，如图1所示。图2则是第1代高温超导带材的临界电流变化特性曲线。从图1和图2的比较可知，YBCO高温超导带材与第1代高温超导带材类似，它们的临界电流既是温度又是背景磁场和背景磁场方向的函数，同时临界电流还随温度和磁场的增加而下降。但YBCO高温超导带材有不同于第1代BSCCO高温超导带材的临界电流特性，它的临界电流值会在磁场方向与其带材表面夹角为40度附近减小到最小值，随后在夹角接近90度时，临界电流又会稍加增大。而对于第1代高温超导带材而言，仅当磁场方向与带材表面夹角为90度时它的临界电流才会减少到 最小值。
传统的测量超导带材临界电流的方法是四引线法，通常两条引线用于给超导带材通入一定直流电流，另外两条引线测量超导带材端电压，以1μV/cm为失超判据来确定该超导线的临界电流。图3为传统四引线法测量临界电流的示意图，图4是四引线法测量中，根据1μV/cm为失超判据确定临界电流的定义方法。
但是，四引线法测量临界电流特性时，并不能够对超导带材的性能做出完整的评测。尤其对于YBCO高温超导带材，由于具有不同于第1代高温超导带材的特殊的临界电流特性，其临界电流值不仅随环境温度变化，而且还受背景磁场及背景磁场方向变化的影响。传统的四引线法由于无法考虑这些因素带来的影响，所以并不适用。需要基于四引线法，设计一种新颖的装置，也即YBCO超导带材在不同温度区间，在不同背景磁场及磁场方向下临界电流特性的测量装置中的样本架，综合考虑环境温度、背景磁场和磁场方向变化的具体影响，测量YBCO高温超导带材的临界电流特性，从而获得较全面的YBCO高温超导带材临界电流性能参数，为高温超导磁体优化设计提供前提条件。
发明内容
为了克服上述缺陷，本发明设计了一种简单、快速、可以计算温度、背景磁场及其磁场方向变化的影响因素，YBCO超导带材在不同温度区间，在不同背景磁场及磁场方向下临界电流特性的测量装置中的样本架，适用于YBCO高温超导带材临界电流特性的测量。
本发明的测量方法是基于四引线法，构造了一个集成有背景磁场发生器的减压降温的真空装置样机，应用该装置，实现YBCO超导带材在不同温区、不同磁场及磁场方向下的临界电流特性的测量。YBCO高温超导带材放置在具有均匀磁场强度的背景磁场环境中，背景磁场由直流磁体产生，直流磁体为双“E”形铁芯。在该铁芯中心立柱上，安放有两个线圈，并且中部有一长条形空气隙。当线圈通入一定直流电流时，该空气隙内能够产生均匀分布的磁场，磁场值由放置在磁场区域中心的霍尔探头进行测量。当YBCO超导带材平行于空气隙放置时，磁场方向垂直于YBCO超导带材表面，当YBCO超导带材被旋转过一个角度后，磁场方向与YBCO超导带材的夹角可以通过位置几何关系得到。本发明设计了一个可以旋转360度的样本架，该样本架垂直穿过铁芯空气隙，其上部通过旋转杆接出到低温杜瓦盖外部，通过一个带有角度刻度的旋转把手，就能够控制超导带材样本的旋转角度。这样，通过改变超导带材的旋转角度也就等效实现了背景磁场方向的变化。为了实 现不同温度下的测量环境，本发明设计了一个可实现减压降温功能的真空系统，将一台真空机组连接到具有密封性的低温杜瓦上。当杜瓦内装入液氮后，可以通过控制真空机组的抽速，从而实现低温杜瓦内部温度从77K逐渐降低的变化。在低温杜瓦内部，由于真空机组抽取的真空度具有一定限度，当达到最低点后，该系统还可以继续应用GM制冷机使杜瓦内部液氮的温度进一步降低。理论上，可以通过减压和GM制冷机进一步冷却，使高温超导带材临界电流的测试温度具有较宽的温度区间，能够较好地达到预期值。本发明的测量方法和测量设备功能齐全，可以准确获得不同温度、不同背景磁场和磁场方向下，YBCO高温超导带材的临界电流变化特性曲线族。该测量装置为全面了解YBCO超导带材特性，进行YBCO超导带材的生产和应用具有重要的实用价值。
本发明设计了一个可以旋转360度的样本架，该样本架垂直穿过铁芯空气隙，其上部通过旋转杆接出到低温杜瓦盖外部，通过一个带有角度刻度的旋转把手，就能够控制超导带材样本的旋转角度。这样，通过改变超导带材的旋转角度也就等效实现了背景磁场方向的变化。设计了可以进行0-360旋转的连接杆，该杆的一端在杜瓦内部连接超导带材的样本架，另一端伸出杜瓦法兰盖并连接带有角度刻度的旋转把手。能够根据角度刻度值，通过旋转把手的转动，实现超导带材的旋转，并且同时保证良好的密封性。
本发明设计的YBCO高温超导带材临界电流特性测试装置具有以下效果和优点：
(1)能够测量YBCO高温超导带材在温度、背景磁场和磁场方向变化等因素影响下的临界电流特性；
(2)设计了减压降温的低温系统，从而可以利用液氮冷却剂实现YBCO超导带材在77K或者低于77K温度范围区间内的临界电流特性测量；
(3)背景磁场发生装置中的直流磁体为YBCO超导带材临界电流特性测量提供了背场，能够根据需要通过控制磁体线圈的直流电流得到给定磁感应强度值下的稳恒磁场；
(4)在背场磁体的空气隙中，YBCO高温超导带材能随样本架在0-90度范围内旋转，通过带材表面与磁场夹角的变化从而等效实现背景磁场方向的改变；
(5)控制和测试系统能够实现对超导直流电源的远程控制、对低温系统温度和背景磁场大小的监控，同时采集和处理由四引线法测得的YBCO超导带材的临界电流特性参数。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1示出了YBCO高温超导带材临界电流特性；
图2示出了BSCCO高温超导带材的临界电流特性；
图3示出了四引线法测量原理；
图4示出了YBCO高温超导带材临界电流的定义方法；
图5示出了本发明测量装置组成示意图，其中：1-超导带材样本架，2-霍尔磁场探头，3-温度探头，4-背景磁场磁体，5-旋转杆，6-旋转把手，7-超导带材电流引线，8-背景磁场磁体电流引线，9-低温杜瓦，10-冷却介质存储容器，11-低温冷却介质，12-抽气阀门，13-汽化器，14真空机组，15-GM制冷机，16-背场磁体直流电源，17-超导直流电源，18-系统控制、数据采集及处理系统；
图6示出了样本架的正视图；
图7示出了带空气隙铁芯的背景磁场磁体正视剖面图，其中：19-背场磁体1号线圈，20-背场磁体2号线圈，21-空气隙，22-超导带材，23-铁芯。
具体实施方式
如图5所示，应用本发明方法的装置包括超导带材样本架1，霍尔磁场探头2，温度探头3，背景磁场磁体4，旋转杆5，旋转把手6，超导带材电流引线7，背景磁场磁体电流引线8，低温杜瓦9，冷却介质存储容器10，低温冷却介质11，抽气阀门12，汽化器13，真空机组14，GM制冷机15，背场磁体直流电源16，超导直流电源17，系统控制、数据采集及处理系统18。其中冷却介质存储容器，抽气阀门，汽化器，真空机组，GM制冷机，直流电源，系统控制、数据采集及处理系统置于室温环境。超导带材样本架，霍尔磁场探头，温度探头，背景磁场磁体，旋转杆，背场磁体电流引线，超导带材电流引线均置于低温容器中的冷却介质当中。当进行YBCO超导带材的临界电流特性测试时，基于四引线法，在样本架上安放了为YBCO超导带材通入直流的电流夹片，并在YBCO超导带材表面上，依据一定距离安放2-3组测量接头以测量失超电压信号，同时在YBCO超导带材中间位置还放置了磁场霍尔探头以测量空气隙中心区域的均匀磁场强度。此外为了避免超导带材的损伤，实现良好的绝缘效果，YBCO超导带材样本架、固定背景磁场磁体的支架、吊杆、旋转杆也都采用环氧树脂加工而成，保证在低温下变形小，具有较好的机械强度，转动自 由。
图6是样本架的正视图，超导带材与电流引线连接并被固定在样本架上，样本架两端均可以通过固定螺拴进行拆卸，从而便于更换带材。
图7是带空气隙铁芯的背景磁场磁体的正视剖面图。超导带材置于样本架上，并随样本架一起在空气隙中旋转，从而等效实现背景磁场方向的改变，背景磁场大小由控制直流磁体线圈电流值实现。由于铁芯磁导率是空气的万倍以上，直流磁体产生的磁通大部分经过铁芯从而能够在空气隙中形成一个均匀的磁场区域，这样便获得了一个稳定的背景磁场。
测试中，首先通过减压降温系统，利用真空机组对低温杜瓦抽真空，获得64K-77K的超导带材测试温度区间。到达预期温度后，通过电流引线给背景磁场磁体的线圈通入一定直流电流，根据标定值可以得到空气隙的磁感应强度。然后在一定温度、一定背景磁场下，逐度旋转杜瓦盖外部上方的旋转把手带动样本架在0-90度范围内旋转，在不同旋转角度下采用四引线法，利用系统控制、数据采集及处理系统测量YBCO超导带材的临界电流特性，形成数据文件进行输出。
采用本发明的测量装置就能够比较方便地实现测量YBCO高温超导带材随温度、背景磁场和磁场方向变化的临界电流特性。本装置结构简单，功能齐全，操作方便，使用简便，是超导应用和生产企业研究、检测超导带材特性参量的理想设备装置。
此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。
Claims (1)
1.一种高温超导带材临界电流特性测试用的样本架，其特征在于该样本架垂直穿过铁芯空气隙，其上部通过旋转杆接出到低温杜瓦盖外部，通过一个带有角度刻度的旋转把手，控制超导带材样本的旋转角度，从而通过改变超导带材的旋转角度等效实现了背景磁场方向的变化，该样本架还连接有可旋转的连接杆，所述连接杆的一端在杜瓦内部连接超导带材的样本架，另一端伸出杜瓦法兰盖并连接带有角度刻度的旋转把手，通过旋转把手的转动，实现超导带材的旋转。
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Legal Events
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