CN101568974B - 超导导线及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超导导线及其制造方法，其中将间隔物插入到在模块之间形成的各个间隙中，当在用于制造Nb3Sn超导导线的内部扩散法中制造重堆叠坯时，这些间隔物根据各个间隙的形状具有不同的种类。铜间隔物和铜/锡截面积比率大于6.0的低锡/铜间隔物中的一种设置在三个模块之间，以及两个模块与防扩散管之间，而铜/锡截面积比率小于0.01～1.5的高锡/铜间隔物和铜/锡截面积比率小于1.5～6.0的中锡/铜间隔物设置在四个模块之间。

Description

超导导线及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种具有不同种类的间隔物(spacer)的超导导线，在内部扩散法中这些间隔物设置于防扩散管和各模块之间，以及各模块之间，在内部扩散法中，通过钻一个具有预定尺寸的并穿过铜棒的中央部的孔来将锡棒插入到由此形成的间隙中，所述铜棒用做挤压坯，还具有多个模块，这些模块通过切割并清洁具有插入到并设置于锡棒外围的铜基当中的铌丝的子元件而形成，这些模块共同地设置于防扩散管之内以形成重堆叠坯，然后该重堆叠坯经受几十次拉制过程和热处理，由此制造A15结构的Nb3Sn超导导线。
背景技术
超导性是这样一种现象，其中外部施加的电压相对于电流的电阻在特定温度和特定磁场下降为零，从而根据BCS理论形成库珀对形式的电子，因此，由于阻抗所引起的热损耗得以消失。对于许多种类的金属，电阻在大约-270～-196℃的低温下突然下降为零。此时，将这种材料称为超导体，而将使得超导电性得以出现的温度和磁场分别称为“临界温度”和“临界磁场”。
通常，所有材料都包含自旋磁体，当它以外部磁场的方向设置时它受到磁体的完全吸引。这些自旋磁体以磁场的方向设置，从而在正常状态下很少观测到该材料受到磁体吸引的现象，这种效应较少的典型材料被称为顺磁性材料，而具有上佳的这种特性，从而容易受到磁体吸引的材料，即诸如铁的材料，被称为铁磁性材料。
而由于缺少自旋磁体，其内部电子允许由于电磁感应所产生的感生电流在外部磁场的影响下流动，以便截断外部磁场，从而被强制成被磁体排斥的方向的材料被称为抗磁性材料。
在这样一种超导体用作线圈的情况下，由于并不出现能量的损失，可以制造出在小量电流下产生强磁场的电磁铁，并且由于超导体是抗磁性物质，如果磁体位于超导体上，磁体所产生的磁场不能穿过超导体，而是被超导体排斥开，从而可以使磁体悬浮。
允许这种超导性出现的超导体的主要特征在于它是在特定温度和特定磁场下不具有干扰电流流动的阻抗的无阻抗物质，但它是不允许磁场穿过的抗磁性物质，并且它可以接受外部磁场以便处于超导状态与正常状态相混合的这样一种状态。
超导体分为I型超导体，它具有零电阻并且还具有强抗磁性特性，以便完全地抵消外部磁场，从而超导体的内部磁场降为零，以及II型超导体，它在特定有限值的基础上接受外部磁场，从而超导状态被打破并且与正常状态相混合。
I型超导体包括大多数的纯金属，并且当外部磁场(H)小于临界磁场(HC)时显现出其特性。I型超导体允许超电流沿着超导体的表面流动，但是不允许电流以超过预定深度的深度流入到超导体的内部，从而消除内部磁场。I型超导体展现了迈斯纳效应，即超导电流流动，因而内部磁场以与外部磁场相反的方向流动，以便抵消外部磁场。
II型超导体包括Nb3Sn、Nb3Al、NbTi、MgB2、高温超导体等，并且显示了强磁场。II型超导体迫使外部磁场到下临界磁场Hc1，从而达到磁场不在超导体的内部存在的抗磁性状态，但是在下临界磁场(Hc1)和上临界磁场(Hc2)之间一点一点地接受外部磁场(H)，从而超导体开始一点一点地破坏，并且产生数不尽的正常状态的磁漩涡。
同样，在II型超导体中，形成超导特性和磁漩涡彼此混合在一起的状态，从而形成库珀对形式的两个电子。因此，有允许超导电流沿着磁漩涡的外围表面流动的超导体，以及允许超导电流无电阻地流动，同时通过从外部施加的电流形成库珀对形式的两个电子的另一种超导体。
具体而言，II型超导体具有较好的超导特性，因为它具有阻止磁漩涡移动的大的磁通钉扎(磁漩涡钉扎)效应，但是当其磁场高于上临界磁场(Hc2)时，II型超导体返回到正常状态，同时超导性被破坏。
同样，超导体可以根据其被使用时的温度分为高温超导体和低温超导体。前者允许在液氮温度(77K)下的超导性，而后者允许在液氦温度(4K)下的超导性。从金属、有机物、陶瓷、化合物等中已经发现了一千种以上的这种超导体。Nb-Ti合金(它是基于金属的超导材料)以及Nb3Sn(它是基于化合物的超导材料)近来已经投入实际应用，它们用于热核反应堆用托卡马克设备、粒子加速器、医学MRI，分析NMR等中。
为了通过使用在上述各领域中使用的超导体来制造可以产生非常大的磁场的磁体，需要超导导线，它具有铁磁场中较好的临界电流(IC)以及很强的特性，例如临界电流密度(JC)。一种典型的超导导线可以是金属化合物Nb3Sn导线，它可以通过各种方法制造出来，例如内部扩散法，青铜法(Bronze method)，等等。
根据内部扩散法，如图1至3所示，铌丝12插入到并且适当地设置于铜棒和在轴向上具有铜作为基体(matrix)的铜合金棒中的一个11的适当内部位置，以便形成挤压坯1，然后对挤压坯1进行挤压以便形成挤压棒。
接下来，钻一个孔，该孔穿过挤压棒的中央部，将锡棒和锡合金棒中的一个13插入到该孔中，然后重复地执行拉制过程若干次，以便制造子元件2。通过将子元件2切割为适当长度并清洁它而制成的多个模块2’共同地设置于由钽或铌等制成的防扩散管33的内部，接下来将间隔物32插入到各模块2’之间的每个间隙中。因此，根据这样一种方案形成重堆叠坯3。
此时，将由铜或铜合金制成的稳定管31的内圆周表面与防扩散管33装配，并使之相互接触。
如上所述制成的重堆叠坯在执行几十次拉制过程之后经受热处理，从而在铜棒和铜合金棒中的任一个与铌丝之间由于热处理而产生交互扩散反应，由此形成Nb3Sn化合物，它是一种超导体。
此时，插入到重堆叠坯3内部的间隔物32用来使各模块2’之间必需形成的间隙最小化。在现有技术中，使用基于锡的间隔物例如锡棒、锡合金棒等，并且很典型的是将具有圆形截面形状的多个模块2’插入到防扩散管33中，然后仅将间隔物32插入到在各模块2’之间形成的间隙当中的最大间隙中。
因此，当具有插入到其中的间隔物的重堆叠坯经受几十次拉制过程时，模块之间的每个间隙在压缩的同时都消失了，从而各个子元件的截面形状从圆形形状变成了六边形形状。通过这一系列的拉制过程，各子元件的内应力变得不规则，因此，在拉制过程期间出现了导线切割，从而在具有较长长度的导线制造中产生了问题，同时也增加了制造成本。
作为上述方法的一个例子，通过使用内部扩散法来制造A15型Nb3Sn超导导线的方法在日本专利NO.4-129106中加以披露。在该方法中，将六个锡合金间隔物插入到堆叠七个模块的最外层中，并将具有小的导线直径的锡合金间隔物插入到在三个模块之间形成的大致上是三角形形状截面的各个间隙中。当在各模块的外围形成角部件时，各铌丝变为平面形状，而不是变为圆形形状。在通过将若干根超导导线绞合为若干线缆的成股线缆过程、成缆过程、焊接过程等而整体形成的磁体中，对抗在引发超导性的特定环境下，特别是在极端低温和高磁场下产生的压缩和伸张的重复循环的抗变形性能，变得更加微弱。因此，导致产生超导特性的恶化，例如超导导线的临界电流、n值的减少，等等。
并且，当各种形状的铌丝不规则地变为平面形状，而不是变为圆形形状时，临界电流密度由于外部磁场而显著地减少，而且产生相应于所施加磁场的磁化损耗。因此，在超导导线产生强交流磁场的应用中有一些限制，在极端低温下伸张和压缩的重复循环所引起的应变所对应的超导特性显著地恶化。
并且，由于过量的锡元件，作为通过经受拉制和热过程而生成的超导材料，生成特殊的超导材料，例如Nb6Sn5或NbSn2等，而不是Nb3Sn，从而临界电流也得以降低。
发明内容
作出本发明以便解决常规重堆叠坯制造方法所引起的问题，该方法用于当根据内部扩散法制造Nb3Sn超导导线时，将多个模块与锡间隔物共同设置在防扩散管内。本发明提供一种超导导线，其中用于设置包含铜或铜合金的铜或铜合金间隔物，以及其中以预定比率组成的包含铜或铜合金与锡或锡合金的锡合金间隔物的方法和它们的种类不同地加以确定，从而在执行几十次的高强度拉制过程中，模块截面形状从原始圆形形状到六边形形状的变化得以最小化，并且模块及其形状变化可以进行调节以保持平衡，以便保持细丝的接近圆形形状。
并且，本发明提供一种超导导线，它可以以这样的方式形成均匀的超导材料，从而各根铌丝的圆形形状尽可能保持为圆形，因此，在拉制过程期间导线切割的发生得以抑制，平衡地设置锡从而在超导导线的热处理过程期间与锡原子的运动相应的扩散压力得以控制，并且可以避免由于锡的过量而产生异常的超导材料。
本发明的上述目标通过具有对应于不同元件的相应截面积比率的多个不同种类的间隔物来实现。
在描述之前，为了避免术语之间的混淆，本发明中组成元件的术语与以上所描述的相同。铜合金棒，具有铜棒或铜作为基体，并且具有在轴向上插入并且设置于该铜合金棒中适当内部位置的铌丝，被称为“挤压坯”，而已经以如下状态经受了拉制过程的该挤压坯，该状态指在对该挤压坯进行挤压之后，将锡棒或锡合金棒插入到穿过该挤压坯中央部钻取的孔中，被称为“子元件”。
并且，通过将子元件切割为适当长度并清洁它而制成的物体被称为“模块”，而将多个模块共同地设置于由钽、铌等制成的防扩散管内，将棒形状的间隔物插入到防扩散管的内圆周表面的各间隙中，然后由铜、铜合金等制成的稳定管的内圆周表面与防扩散管的外圆周表面进行紧密接触，以这样一种方式形成的物体，被称为“重堆叠坯”。
本发明的一个技术特性在于根据防扩散管内周的间隙形状来使用不同种类的间隔物，以便通过使用内部扩散法来制造根据本发明的超导导线，尤其是Nb3Sn超导导线。
并且，间隔物具有圆形棒形状，并且是锡/铜间隔物和铜间隔物中的一种，其中将锡或锡合金(在下文中，为了方便起见仅称为“锡”)棒插入到铜或铜合金(在下文中，为了方便起见仅称为“铜”)棒的中央部，同时使它们紧密接触。
此时，锡/铜间隔物是具有插入到铜棒中央部的锡棒的间隔物，具有插入到铜棒中央部的锡合金棒的间隔物，具有插入到铜合金棒中央部的锡棒的间隔物，以及具有插入到铜合金棒中央部的锡合金棒的间隔物当中的一种，而铜间隔物仅是由铜棒制成的间隔物和由铜合金棒制成的间隔物中的一种。
并且，本发明的另一技术特性在于，在锡/铜间隔物的情况下，使用基于垂直于轴向的截面表面，铜棒相对于锡棒的截面积比率各自不同的间隔物。
具体而言，在根据本发明的超导导线中，在将某一模块置于防扩散管的中央部之后，将多个模块循序地堆叠在该模块的周边，同时制成多层的形状，将铜相对于锡的截面积比率为相对小比率的高锡/铜间隔物插入到于模块之间形成的间隙当中于四个模块之间形成的内部间隙中，而将铜相对于锡的截面积比率为相对大比率的低锡/铜间隔物插入到三个模块之间形成的内部间隙中，以及防扩散管与两个模块之间形成的内部间隙中。
此时，根据间隔物的铜的截面积比率之间的不同，相比较地划分高锡/铜或低锡/铜间隔物的“高锡”和“低锡”，而“高锡”可以再一次分为“高锡”和“中锡”。
根据间隙形状来使用不同种类间隔物的原因将在下文中进行描述。
在将通过切割和清洁具有将直径非常小的铌丝插入并设置于围绕锡棒的铜基处的结构的子元件而制成的模块插入到并设置于防扩散模块之内的情况下，在模块之间以及模块与防扩散管之间的间隙处，组合各模块的铜基。
因此，根据防扩散管内间隙的形状使用不同形状的间隔物，以便在拉制过程中在模块之间以及在间隔物和模块之间产生均衡的变形，避免由于当根据热处理期间与铌丝相应的锡扩散中进行的锡原子的运动产生的扩散压力下的铌丝的运动而使超导特性恶化，并导致位于各个位置的细丝、铜和锡的扩散反应，以便形成具有均匀组成的超导材料。
具体而言，作为在三个模块之间，以及在防扩散管和两个模块之间插入的间隔物，使用其铜棒相对于锡棒的截面积比率大于6.0的低锡/铜间隔物，或者其铜棒相对于锡棒的截面积比率无穷大(∞)的铜间隔物，而作为插入到四个模块之间的间隔物，使用其铜棒相对于锡棒的截面积比率在0.01～6.0范围之内的高锡/铜间隔物。
此时，高锡/铜间隔物可以再一次分为截面积比率低于0.01～1.5的高锡/铜间隔物，和截面积比率低于1.5～6.0的低锡/铜间隔物。
如上所述的各间隔物的强度以铜间隔物、低锡/铜间隔物和高锡/铜间隔物的次序下降，这是因为铜的截面积比率相应减少。铜间隔物和低锡/铜间隔物使得模块的角部更圆滑，避免模块截面的形状变成六边形形状，由此提高最终超导导线的超导特性，例如临界电流等等。
并且，使用不同强度的间隔物的原因在于间隔物显示了根据在拉制过程中将间隔物插入到其中的内部间隙，形成类型彼此各不相同。使用铜间隔物、低锡/铜间隔物和高锡/铜间隔物，但是在锡/铜间隔物的情况下，如果在垂直于轴向的方向上铜相对于锡的截面积比率未达到或超过所限定的比率范围，那么经受了拉制过程之后其截面形状并非较好的形状，因此超导特性将会下降。
此时，在锡/铜间隔物中，铜相对于锡的截面积比率如上所述被限定的原因将在下文中加以描述。在高锡/铜间隔物的情况下，如果比率大于6.0，间隔物的强度将不必要地增强，从而在拉制过程中各模块的形状很容易变为非圆形形状。因此，模块内的细丝很容易变为非均匀形状或平面形状，而不是圆形形状，而细丝之间的间隔也变得不规则，从而在形成A15结构的Nb3Sn超导导线的热处理期间，锡原子的扩散是不均匀的。因此，超导特性会下降。
并且，如果截面积比率小于0.01，间隔物的强度不足，从而应力将朝着具有较低强度的间隔物而集中。因此，模块的形状也很容易变为圆形形状或椭圆形形状。
并且，在低锡/铜间隔物的情况下，与高锡/铜间隔物的情况相同，如果截面积比率低于6.0，则间隔物的强度不足，从而在拉制过程期间导致超导特性的恶化，例如模块的不均匀变形。
在根据本发明的超导导线中，将间隔物插入到在防扩散管的内圆周部分中插入的模块之间的各内部间隙中，并且，使用许多种类的锡/铜间隔物，其铜相对于锡的截面积比率根据内部间隙的形状彼此各不相同。因此，拉制过程中的比较材料相比，导线切割得以减少，从而生产率以及内部组织的一致性得以提高，并且超导性也得以显著地提高。
附图说明
当结合附图时，通过下述详细描述，本发明的前述和其他目标、特征和优点将变得更加显而易见，在附图中：
图1是图示在其中插入铌丝的挤压坯的截面图；
图2是图示其中锡棒与挤压棒的中央部相耦合的子元件的截面图；
图3是图示其中多个模块与防扩散管装配的常规重堆叠坯的截面图；
图4A和4B是图示根据本发明的一个实施例的用于制造超导导线的重堆叠坯的视图，其中重堆叠坯处于间隔物装配之前的状态；
图4A是图示其中插入19个模块并设置于其中的重堆叠坯的截面图；
图4B是图示其中插入37个模块并设置于其中的重堆叠坯的截面图；
图5A至5C是图示用于图4A至4B中所示重堆叠坯的间隔物；
图5A是图示铜间隔物的截面图；
图5B是图示低锡/铜间隔物的截面图；
图5C是图示高锡/铜间隔物的截面图；
图6是图示根据本发明的一个实施例的用于制造超导导线的重堆叠坯的截面图，其中装配了间隔物；
图7是图示根据本发明的另一实施例的用于制造超导导线的重堆叠坯的截面图，其中装配了间隔物；
图8是图示根据本发明的发明材料1的截面照片，其中发明材料1处于热处理之前的拉制状态；
图9是图示根据本发明的发明材料2的截面照片，其中发明材料2处于热处理之前的拉制状态；
图10是图示根据本发明的发明材料3的截面照片，其中发明材料3处于热处理之前的拉制状态；
图11是图示根据本发明的发明材料4的截面照片，其中发明材料4处于热处理之前的拉制状态；
图12是图示根据本发明的比较材料1的截面照片，其中比较材料1处于热处理之前的拉制状态；
图13是图示根据本发明的比较材料2的截面照片，其中比较材料2处于热处理之前的拉制状态；以及
图14是图示根据本发明的比较材料3的截面照片，其中比较材料3处于热处理之前的拉制状态。
具体实施方式
参照图4A至图6，在下文中将详细描述根据本发明的用于制造超导导线的重堆叠坯的结构，其中混合使用不同种类的间隔物。
如图所示，用于制造根据本发明的超导导线的重堆叠坯4具有这样的结构，其中多个模块，其数量为19、37、64等，通常插入到防扩散管44中，而截面积比率彼此各不相同的间隔物43插入到模块42之间形成的各内部间隙R中。
此时，防扩散管44具有与稳定管41的内圆周表面装配在一起的外圆周表面，同时使之相互接触，而在防扩散管44的内周形成的各内部间隙R分为在三个模块42之间形成的三角形间隙R3，四个模块42之间形成的四方形间隙R4，以及在两个模块42之间形成的外部间隙R2。
并且，将具有相对高强度的铜间隔物43C和低锡/铜间隔物43L中的一种插入到三角形间隙R3和外部间隙R2中，而将具有相对低强度的高锡/铜间隔物插入到四方形间隙R4中。
在这种状态下，就可能将三角形间隙R3与外部间隙R2区分开来，从而可以将铜间隔物插入到三角形间隙中，而同时将低锡/铜间隔物插入到外部间隙中。另一方面，低锡/铜间隔物可以插入到三角形间隙中，而铜间隔物可以插入到外部间隙中。并且，当彼此混合时，铜间隔物和低锡/铜间隔物也可以插入到三角形间隙和外部间隙中的每一种中，或者上述两种间隔物中的一种可以插入到三角形间隙和外部间隙这两者中。插入间隔物的这些类型可以根据要制造的超导导线的模块设置形状、拉制过程的程度、热处理的条件等进行适当的选择。
并且，经受拉制过程前的各原始间隙43的截面积比率与经受了拉制过程之后的截面积比率几乎是相同的。并且，相应于在防扩散管44内设置的铌丝42A和多个模块42的铜的整体截面积，位于模块42中央部的锡棒42B和位于间隔物43中央部的锡棒43B的整体截面积比率，最好是在10～40％的范围内调节。
具体而言，如果设置于防扩散管44之内的铌丝42A与铜的整体截面积假定为“100”，锡棒42B和43A的整体截面积最好是假定为“10～40”。此时，如果截面积比率低于10％，锡的扩散不足，从而难以形成上佳的超导体材料化合物Nb3Sn。另一方面，如果截面积比率超过了40％，由于锡原子的过量扩散形成诸如Nb6Sn、NbSn2等的化合物，它们是异常的超导材料，从而超导特性得以恶化。
举例来说，在这样一种结构中，如果使用19个模块，将铜间隔物插入到三角形间隙R3中，而将低锡/铜间隔物插入到外部间隙R2中，使用6个高锡/铜间隔物43H，12个铜间隔物43c，和12个低锡/铜间隔物43L。其间，如果使用37个模块42，则使用12个高锡/铜间隔物43H，24个铜间隔物，和18个低锡/铜间隔物43L。
以上述这样一种方式装配的重堆叠坯在经受几十次拉制过程之后经受热处理，由此形成超导材料Nb3Sn。防扩散管内区域中的铜基通过热处理与锡原子进行扩散反应，以变为包含3～15重量％锡的青铜，从而形成具有上佳超导特性的超导材料Nb3Sn。有各种方法可用于形成这种超导材料的这种热处理。以下将描述该方法的一个例子。
有一种方法用于以这样一种方式执行热处理，从而重堆叠坯的内部气体保持在高真空状态，内部气体的温度以7℃/h的速度升高到200℃，接下来温度保持五个小时。然后，以6℃/h的速度升高到570℃，然后该恒定温度保持200小时。在完成该恒定温度处理之后，内部气体以6℃/h的速度升高到660℃，然后该温度保持240小时，接下来以6℃/h的速度冷却。
并且，还有另一种方法以这样一种方式执行热处理，从而重堆叠坯内部气体的温度根据五个步骤进行改变，在每个步骤中升温速度均为5℃/h。210℃的温度保持50小时，340℃的温度保持25小时，450℃的温度保持25小时，575℃的温度保持100小时，而660℃的温度保持200小时，由此形成超导材料。然后，温度再次冷却到正常温度。
此时，当温度从210℃升高到575℃时，温度可以直接升高而无须若干个步骤，而温度保持时间在大约660℃的温度下是可以改变的。
另外，如图7所示，在将七个模块插入到防扩散管44的情况下，当不形成上述四方形间隙时，只形成一个允许低锡/铜间隔物43L插入的间隙。在这种情况下，将低锡/铜间隔物或铜间隔物中的一种插入到各内部间隙中，或者当彼此混合时，将低锡/铜间隔物以及铜间隔物插入到各内部间隙中。
实施例
在轴向上穿过挤压铜棒钻孔之后，已经对挤压铜棒和铌丝进行清洁的状态下，将7根铌丝、180根铌丝和176根铌丝以常规方式插入到铜棒的各个孔中，以便制造直径180mm的挤压坯，然后通过热处理进行挤压，从而制造出直径30mm的挤压棒材料。
在挤压棒材料的中央部经受深孔加工并且进行清洁之后，将锡棒插入到挤压棒的中央部并与之装配。在这种状态下，挤压棒材料以20％以上的减小率经受拉制过程，从而制造子元件。通过将该子元件切割为适当长度并清洁它来制备模块，然后，通过使用19个模块和间隔物制造出直径70mm的重堆叠坯。
此时，可以插入间隔物的间隙的总数目达到30，包括6个四方形间隙，12个三角形间隙和12个外部间隙。
并且，通过使用不同种类的间隔物制造的发明材料和比较材料，彼此进行比较，比较结果在表1中显示。
表1
*∞：铜间隔物
*“0”：锡间隔物
在使用不同种类的间隔物之后，通过执行几十次的拉制过程，获得根据本发明的直径为0.816mm的发明材料1、2、3和4以及比较材料1、2和3的超导导线。它们的截面照片如图8至图14所示。
对拉制的超导导线中组成模块的各截面形状进行观察。在比较材料的情况下，它只使用高锡/铜间隔物，或者使用高锡/铜间隔物和锡间隔物，可以观察到变为六边形形状的程度很高。
然而，在本发明材料的情况下，它使用高锡/铜间隔物和铜间隔物(发明材料1)，使用中锡/铜间隔物和低锡/铜间隔物(发明材料2)，使用中锡/铜间隔物、铜间隔物和低锡/铜间隔物(发明材料3)，或者使用高锡/铜间隔物和低锡/铜间隔物(发明材料4)，将具有预定强度的低锡/铜间隔物或铜间隔物插入到最外层或最内层的间隙中。因此，可以理解子元件之间的极化不会出现，从而这些子元件具有近似圆形并且稳定的形状，而不是六边形形状。
此外，在使各超导导线经受热处理之后，检查各超导导线的特性。作为检查结果，将电压为0.1微伏/cm时的电流确定为临界电流。而且，通过使用该临界电流获得基于电压分接(voltage tap)之间50cm间隔的5微伏电压的点，并且通过用该临界电流除以该点处非铜区域的截面积所获得的值，确定为临界电流密度。
同样，除了临界电流和临界电流密度之外，n值用作表示超导导线的细丝形状所具有非均匀程度的值。作为幂函数的n值，它用作表示超导细丝不均匀程度或超导导线非均匀性的指示器，具体而言，用作表示在超导性遭到破坏的情况下当温度再次降低时超导导线恢复超导性有多好的标准，并且作为表示超导导线制造得有多好的标准，对该n值进行测量以便进行比较。
另外，通常通过使用热量测定法、磁化方法、电移法等，来测量超导导线的AC损耗。在本发明中以这样的方式执行超导导线的AC损耗的测量，通过使用物理性质测量系统，将+/-3特斯拉范围内的外部交变电流磁场施加于非铜部分的超导材料，以测量磁化强度。
当沿超导体流过的电流不发生改变时，观察到超导体电阻为“0”的事实，并且在电流改变的情况下，当产生阻抗时出现电流损耗。此时产生的电流损耗被称为AC损耗，而AC损耗包含耦合损耗、涡电流损耗以及磁滞损耗。
并且，AC损耗由于磁场变化而产生，并且如果电流改变的话，磁场也发生改变，从而发生AC损耗。
图2中示出了本发明材料和比较材料各自的超导特性。
表2
 分类   Ic   Jc   n值   AC损耗
 发明材料1   250   950   33   712
 发明材料2   270   1050   40   653
 发明材料3   230   920   32   681
 发明材料4   284   1090   42   678
 比较材料1   183   637   17   523
 比较材料2   180   630   19   514
 比较材料3   206   770   22   468
当Jc值和n值较高时超导特性是上佳的，并且如果Jc值增长的话，AC损耗值随Jc值的增长而一起增长。因此，需要用于增加Jc值，同时将AC损耗值的增长抑制到适当程度的方法。
并且，作为比较材料，在使用铜截面积比率接近于最低限度值的高锡/铜间隔物，或者使用锡间隔物的情况下，尽管有可能在热处理期间降低锡原子的扩散压力以便使AC损耗抵消到一定程度，但在拉制重堆叠坯的过程期间，间隔物却不具有足够的强度，由此导致模块的均匀变形。因此，导线切割产生了，并且所拉制导线的截面形状也发生扭曲，从而细丝的形状发生不规则的变化，由此使得超导特性显著地降级。
然而，当制造重堆叠坯时，在制造发明材料1以解决比较材料中所产生的问题的情况下，该比较材料由通过将铜截面积比率接近最低限度值的高锡/铜间隔物插入到四方形间隙中同时将铜间隔物插入到三角形间隙和外部间隙而制造出的重堆叠坯制成，在拉制过程中位于其最外层的模块的不均匀变形得以减少，而在导线拉制过程中导线切割也得以减少，从而与比较材料1、2和3相比，AC损耗有了一定程度的增长。然而，临界电流、临界电流密度和n值却显著地增长，由此提高了超导性。
此时，因为位于四方形间隙处的高锡/铜间隔物仍未具有足够的强度，在发明材料1的情况下，可以理解大多数模块都朝着内部方向偏离了一点点。
为了改善发明材料1的缺点，发明材料2使用其铜截面积比率与高锡/铜间隔物相比增大的中锡/铜间隔物，以控制用于4个模块之间形成的四方形间隙的高锡/铜间隔物的强度。此外，为了补偿相应减少的锡元素的量，发明材料2使用低锡/铜间隔物，它以这样的方式进行处理，与发明材料1不同，将锡或锡合金棒插入到三角形间隙或外部间隙的铜间隔物中。
因此，可能在发明材料1中产生的最外层模块朝着内部方向的极化得以消失，并且在防扩散管内的各间隙处对称地使用包含锡或锡合金(至少是二元合金)的间隔物，从而在热处理期间均匀地控制锡或锡合金原子的扩散反应。因此，形成高质量的Nb3Sn超导材料。
并且，当在锡或锡合金原子的扩散中可能产生的扩散压力得以抵消时，细丝的桥接现象可能会减轻。因此，交变电流损耗的增加程度得以减轻，同时，诸如临界电流或临界电流密度的超导特性也得以显著地改善。
与发明材料2不同，发明材料3使用具有高强度的铜间隔物来代替三角形间隙中使用的低锡/铜间隔物，从而导线拉制过程中的效率得以提高，同时，与比较材料相比较，超导特性也得以显著地改善，尽管锡或锡合金原子的扩散在防扩散管内受到铜间隔物的控制。
为了具有比发明材料2(它具有通过插入包含锡的间隔物以便分布锡而获得的最上佳的特性)的特性更好的改良特性，发明材料4以这样的方式具有稳定的截面和最有利的特性：插入具有高水平数量的锡的高锡/铜间隔物代替四方形间隙的中锡/铜间隔物，同时将防扩散管内的所有间隙彼此对称地放置，并确保最大量的锡。
并且，在拉制比较材料的过程期间所产生的模块之间应力的不均衡得以减少，从而模块的变化是均匀的。因此，当n值增长时，诸如Jc值的超导特性也得以改善。
此时，当插入到最外的模块层和与其内部相邻的模块层之间的四方形间隙中的高锡/铜间隔物的铜相对于锡的截面积比率大于6.0时，尤其是当插入低锡/铜间隔物时，间隔物的强度过高，超出了必需的程度，从而模块形状变为除圆形形状以外的某些形状，并且非铜区域的锡减少得过多。因此，难以形成高质量的Nb3Sn超导材料。
因此，模块内的各细丝均可以变为非均匀形状或平面截面形状，而不是变成圆形形状。当然，细丝之间以及细丝层之间的间隔变得不均匀，从而在允许A15结构的Nb3Sn超导材料起反应的热处理期间，锡原子的扩散变得均匀。因此，不能形成高质量的Nb3Sn超导细丝，由此使得超导特性在所施加的磁场下降级。
并且，在具有非圆形形状的细丝中，在使用超导导线的极端低温下，与应变(strain)特性相对应的超导特性可能会由于伸张/压缩应力的重复循环而降级。
并且，在插入到三角形间隙或外部间隙的低锡/铜间隔物的铜相对于锡的截面积比率低于6.0的情况下，由于位于最外模块层与防扩散管之间的各间隔物的强度低于比较材料，置于外部间隙的间隔物在拉制过程期间承受很高的应力，从而它们朝着其内周的中央部凹陷。
同时，具有相对高强度的相邻模块承受朝着导线外侧施加的应力，从而各模块的形状不能变为圆形形状，而是变为不规则的形状。因此，各细丝的形状很容易不能变为圆形形状，而是变为不规则形状或平面形状，并且细丝之间以及细丝层之间的间隔变得不均匀。因此，如上所述，不能通过热处理形成高质量的Nb3Sn超导细丝，从而超导特性在所施加的磁场下会降级。
各间隔物中的组成铜和锡的各截面积比率的分析，通过光学显微镜的图像分析设备来执行。初始厚度的原始模块的截面积通过将置于模块之间的铜区域分成1/2来获得，接下来，基于该截面积，通过从部署间隔物的三角形间隙或四方形间隙的面积当中除去已经分成1/2的该模块最外层的厚度来获得间隔物的面积，并且通过这些间隔物的各区域，通过金属光学显微镜的图像分析设备来分析锡和铜的各自面积。

Claims (6)

1.一种超导导线，包括：
防扩散管，具有与稳定管的内圆周表面紧密接触的外圆周表面；
多个模块，共同地设置于防扩散管内，这些模块具有在位于铜棒中央部的锡棒周边的铜基处设置的多根铌丝；以及
多个间隔物，插入到防扩散管的内部间隙，
其中通过共同地在防扩散管内设置这些模块，将这些间隔物插入到防扩散管的内部间隙中，并且拉制这些模块和间隔物，来制造该超导导线，并且
其中在防扩散管(44)和模块(42)之间以及各模块(42)之间形成的每个间隙中插入一个间隔物(43)，此时，插入到防扩散管(44)和模块(42)之间或三个模块之间的间隔物(43)是锡/铜间隔物和铜或铜合金间隔物中的一种，该锡/铜间隔物具有插入到铜或铜合金棒中央部的锡或锡合金棒，而插入到四个模块(42)之间的间隔物(43)是具有插入到铜或铜合金棒中央部的锡或锡合金棒的锡/铜间隔物。
2.如权利要求1所述的超导导线，其中，基于垂直于轴向的截面表面，插入到防扩散管(44)和模块(42)之间以及三个模块之间的锡/铜间隔物的铜或铜合金棒相对于锡或锡合金棒的截面积比率大于6.0，而，基于垂直于轴向的截面表面，插入到四个模块(42)之间的锡/铜间隔物的铜或铜合金棒相对于锡或锡合金棒的截面积比率在0.01～6.0范围之内。
3.根据权利要求1所述的超导导线，其中模块(42)的数量为7、19、37和64中的一个。
4.根据权利要求1所述的超导导线，其中相对于位于防扩散管(44)内的模块(42)的铌丝和铜的整个截面积，位于模块(42)中央部的锡棒和位于间隔物中央部的锡棒的整个截面积比率在10～40％的范围以内。
5.一种用于制造超导导线的方法，包括以下步骤：
挤压出具有在轴向上插入到铜棒内部的铌丝的挤压坯，以便制造挤压棒材料；
钻一个穿过挤压棒材料的中央部的孔，将锡棒或锡合金棒中的一种插入到该孔中，并执行拉制过程以便制造子元件；
在防扩散管内部共同地设置多个模块，这些模块通过将子元件切割为合适的长度并清洁该子元件而形成；并且
通过将间隔物插入到防扩散管内的各内部间隙中，制造重堆叠坯，
其中制造重堆叠坯的步骤包括以下步骤：
将由防扩散管和各模块形成的内部空隙分为形成在三个模块之间的三角形间隙，形成在四个模块之间的四方形间隙，以及在防扩散管和两个模块之间形成的外部间隙；
将锡/铜间隔物和铜或铜合金间隔物中的一种插入到三角形间隙和外部间隙中，该锡/铜间隔物具有插入到铜或铜合金棒中央部的锡或锡合金棒；并且
将锡/铜间隔物插入到四方形间隙中，该锡/铜间隔物具有插入到铜或铜合金棒中央部的锡或锡合金棒。
6.根据权利要求5所述的用于制造超导导线的方法，其中基于垂直于轴向的截面表面，插入到三角形间隙和外部间隙中的锡/铜间隔物的铜或铜合金棒相对于锡或锡合金棒的截面积比率高于插入到四个模块(42)之间的锡/铜间隔物的铜或铜合金棒相对于锡或锡合金棒的截面积比率。
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