CN101839943B - 一种传导冷却式超导接头电阻测量装置 - Google Patents

Abstract

一种传导冷却式超导接头电阻测量装置，包括低温系统和样品室。样品室由背场超导磁体(9)、超导互感器(10)和样品槽(11)组成，它们都放置在40K热辐射屏(4)内部并通过导热结构(8)连接并固定在GM制冷机(1)的二级冷头(7)上。样品单匝闭合环(15)嵌在样品槽(11)内，而超导接头(14)置于背场超导磁体(9)的内孔中心。通过超导互感器(10)给单匝闭合环(15)感应一定大小的电流，然后利用真空容器(2)的下底板中心的室温孔(13)，在外界使用常规霍尔探头来测量单匝闭合环(15)中心磁场的大小，计算出单匝闭合环(15)中电流的大小，测量出两个不同时间点的电流值就可以计算出超导接头实际的电阻值。

Description

一种传导冷却式超导接头电阻测量装置

技术领域

本发明涉及一种对超导线之间(如Nb₃Sn超导线与Nb₃Sn超导线、Nb₃Sn超导线与NbTi超导线、NbTi超导线与NbTi超导线之间)进行电学连接所制成的超导接头的电阻进行测量的装置。

背景技术

我们知道超导磁体，特别是大中型超导磁体一般都由许多超导线圈串联组合而成。由于商业供应超导线长度的限制或者各超导线圈对超导线参数要求不同及磁体绕制工艺的需要，超导磁体中各超导线圈不可能采用同一根超导线绕制，不同超导线圈的超导线必须进行电阻性或超导性焊接，而这些超导线之间的接头质量的好坏将直接影响到超导磁体系统的稳定运行。在某些超导应用领域，如磁共振成像、核磁共振谱仪等所用超导磁体均要求闭环运行，这就不可避免的涉及超导开关与超导磁体之间的接头。超导接头电阻决定了磁体的衰减速度，是评价一个闭环超导磁体性能的重要指标。因此准确地测量出超导接头的电阻是评价超导接头质量的关键。

测量电阻的常用方法是四引线法，但这种方法一般只适用于测量大于10^-9Ω的电阻。如今的超导接头焊接工艺所得到的超导接头电阻一般都小于10^-8Ω，而磁共振成像、核磁共振谱仪系统对超导接头的电阻要求更小，如低于10^-12Ω。测量这样低量级的电阻值需要采用更灵敏的测量方法-电流衰减法。这种方法首先将带有超导接头的超导线做成一个闭合环，利用超导互感器将此环充电，则闭环的衰减时间常数便可计算出接头电阻的大小。设t₁时，电流为i₁，t₂时为i₂，样品闭合环电感为L，则接头电阻可由下式计算出：

R＝L·ln(i₁/i₂)/(t₁-t₂)

在实际应用中，超导接头一般都处在一定大小的背景磁场中，不同背景磁场下的超导接头的电阻值是不同的，因此还需要绕制一个小超导磁体为超导接头样品提供一个背景磁场。

传统的超导接头测量装置中都是采用液氦浸泡方式对带有超导接头的样品环，超导互感器，背场超导磁体进行冷却的，这就使得传统的超导接头测量装置结构复杂，运行费用高，而且测量过程和更换样品环也相当繁琐。

发明内容

为了克服传统超导接头电阻测量装置的缺点，本发明提出一种传导冷却式超导接头电阻测量装置。本发明完全放弃了使用低温液氦和液氦浸泡冷却方式，采用传导冷却方式大为简化该测量装置结构，使得测量步骤和更换超导接头样品变得相当方便，而且不再使用液氦，大大降低了运行费用。

本发明的超导接头电阻测量装置主要包括低温系统和样品室。低温系统确保样品室达到并维持在4K左右的工作温度。

本发明的低温系统由外真空容器、40K热辐射屏、GM制冷机及导热结构组成。低温系统的各部分从外到内依次是：GM制冷机、外真空容器、40K热辐射屏和导热结构。GM制冷机的一级冷头穿过外真空容器与40K热辐射屏连接并提供冷量，将40K热辐射屏冷却到40K左右，以减少外界向样品室的辐射漏热。GM制冷机的二级冷头穿过40K热辐射屏后通过导热结构同样品室进行热连接，并提供冷量将样品室冷却到4K左右。

本发明的样品室包括背场超导磁体、超导互感器和样品槽。背场超导磁体的骨架为使用黄铜制成的两端带有法兰的圆筒，骨架表面喷涂高导热绝缘材料。按照产生所需最大中心磁场的要求，在骨架上绕制一定匝数的超导线圈。超导线圈中导线与导线之间的缝隙使用掺杂有高导热率的氮化铝(AlN)粉的环氧树脂填充，环氧树脂凝固后不但可以加固整个超导线圈，而且使其内传热更加均匀。背场超导磁体骨架的上法兰通过导热结构上的一个导热铜块连接到GM制冷机的二级冷头的下方。超导互感器的骨架同样为采用黄铜制成的两端带有法兰的圆筒，骨架表面喷涂高导热绝缘材料。按照给样品闭合环感应最大电流所需的匝数在骨架上绕制超导线圈，超导线圈中导线与导线之间的缝隙同样使用掺杂有高导热率的氮化铝(AlN)粉的环氧树脂填充。样品槽位于超导互感器骨架内孔的中间，为一个一定宽度和深度的环形凹槽，凹槽由黄铜制成，并同超导互感器的骨架连成一体。超导互感器放置在距离背场超导磁体的正下方≥400mm处，以减小背场超导磁体产生的磁体对样品闭合环电流测量的影响。超导互感器通过一个半圆形的导热铜板连接并固定到GM制冷机的二级冷头上。安装超导接头样品时，先将闭合环放置在样品槽内，然后使用真空脂将槽内的空隙填充满，真空脂在低温下将会凝固变硬，对闭合环起到固定和导热的作用。超导接头部分放置于背场超导磁体的内孔中心。

本发明的超导互感器下方的真空容器的下底板中心有一个向上凸起的室温孔，室温孔正好穿过样品槽的中心。利用此室温孔，测量人员就能够在外界使用常规霍尔探头来测量样品闭合环中心磁场的大小，然后进一步计算出此刻样品闭合环中电流的大小，所依据公式为：i＝2B·R/u₀，式中B为样品闭合环中心的磁场感应强度，R为样品闭合环的内半径，u₀为真空磁导率。

本发明的背场超导磁体和超导互感器都由外界电源供电，它们之间连接的电流引线采用Bi2223高温超导管和常规铜带引线组合而成。在低温系统内，热辐射屏与外真空容器之间的温度在40K-300K之间，热辐射屏与超导磁体间的温度在40K-4K之间。常规铜带引线位于40K-300K的温区，Bi2223高温超导管位于40K-4K温区。组合电流引线的结构特点是：组合电流引线的上部是高电导的常规铜带引线，下部是Bi2223高温超导管，两者通过焊接相连。高电导的铜带引线上端通过外真空容器和外部的电源相连，常规铜带引线的绝缘后固定在40K的热辐射屏上，下端穿过热辐射屏后与Bi2223高温超导管上端焊接；Bi2223高温超导管的下端分别与背场超导磁体及超导互感器的引出线焊接。

本发明对超导接头电阻值进行测量的步骤为：先将外真空容器内的空气抽出(真空度一般要高于1×10^-3Pa)，然后开启制冷机进行制冷，将样品室的温度降至4K左右。此时背场超导磁体、超导互感器和超导接头样品都处在超导态，使用外界电源将背场超导磁体充磁到需要的磁场强度，接着再使用外界电源对超导互感器进行充电，给样品闭合环感应上合适大小的电流。最后利用室温孔测量出两个不同时间点样品闭合环中心的磁感应强度，就可以计算出超导接头实际的电阻值。

附图说明

图1是本发明超导接头电阻测量装置系统组成示意图，图中：1GM制冷机、2外真空容器、3GM制冷机一级冷头、440K热辐射屏、5常规铜电流引线、6Bi2223高温超导管、7GM制冷机二级冷头、8导热结构、9背场超导磁体；

图2是图1A处的局部放大图，图中：10超导互感器、11样品槽、12半圆形导热铜板、13室温孔；

图3是带有超导接头的样品闭合环示意图，图中：14超导接头、15单匝闭合环；

图4是安装有超导接头样品的样品室示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1和图2所示，本发明的超导接头电阻测量装置主要包括低温系统和样品室。低温系统由外真空容器2、GM制冷机1、40K热辐射屏4及导热结构8组成。样品室包裹在40K热辐射屏4内，以减少外界向样品室的辐射漏热；GM制冷机1的一级冷头3穿过外真空容器2与40K热辐射屏4连接并提供冷量将40K热辐射屏4冷却到40K左右；GM制冷机1的二级冷头7穿过40K热辐射屏4后通过导热结构8同样品室进行热连接并提供冷量将样品室冷却到4K左右。

如图1和图4所示，本发明的样品室包括背场超导磁体9、超导互感器10和样品槽11。它们都通过导热结构8连接并固定在GM制冷机1的二级冷头7上。背场超导磁体9的骨架为使用黄铜制成的两端带有法兰的圆筒，骨架表面喷涂高导热绝缘材料。按照所需最大中心磁场的要求，在骨架上绕制一定匝数的超导线圈。超导线圈中导线与导线之间的缝隙都使用掺杂有高导热率的氮化铝(AlN)粉的环氧树脂填充，环氧树脂凝固后不但可以加固整个超导线圈，而且使其内传热更加均匀。背场超导磁体9骨架的上法兰通过导热结构8上的一个导热铜块连接到GM制冷机1的二级冷头7的下方。超导互感器10的骨架同样为采用黄铜制成的两端带有法兰的圆筒，骨架表面喷涂高导热绝缘材料。按照给样品闭合环感应出最大电流所需的匝数在骨架上绕制超导线圈，超导线圈中导线与导线之间的缝隙同样使用掺杂有高导热率的氮化铝(AlN)粉的环氧树脂填充。样品槽11位于超导互感器10骨架内孔的中间，为一个一定宽度和深度的环形凹槽，并同超导互感器10的骨架连成一体。超导互感器10放置在距离背场超导磁体9的正下方≥400mm处，以减小背场超导磁体产生的磁体对样品环电流测量的影响。超导互感器10通过导热结构8上的一个半圆形的导热铜板12连接并固定到GM制冷机1的二级冷头7上。

如图3所示，超导接头样品由一个单匝闭合环15和一个超导接头14组成，先用一根超导线制成一个与样品槽11直径同样大小的单匝闭合环15，然后再将单匝闭合环15的两个出线相互缠绕成一段双绞线，最后将超导线的两端按一定工艺焊接成超导接头14。安装超导接头样品时，先将单匝闭合环15放置在样品槽11内，然后使用真空脂将槽内的空隙填充满，真空脂在低温下将会凝固变硬，对单匝闭合环15起到固定和导热的作用。超导接头14放置于背场超导磁体9的内孔中心。

如图2所示，本发明的超导互感器10下方的真空容器2的下底板中心有一个向上凸起的室温孔13，室温孔13正好穿过样品槽11的中心。利用此室温孔13，测量人员就能够在外界使用常规霍尔探头来测量单匝闭合环15中心磁场的大小，然后进一步计算出此刻单匝闭合环15中电流的大小，所依据公式为：i＝2B·R/u₀，其中B为单匝闭合环15中心的磁场感应强度，R为单匝闭合环15的内半径，u₀为真空磁导率。测量出两个不同时间点的单匝闭合环15的电流值就可以计算出超导接头14实际的电阻值。

如图1所示，本发明的背场超导磁体9和超导互感器10都由外界电源供电，它们之间连接的电流引线采用Bi2223高温超导管6和常规铜带引线5组合而成。在低温系统内，40K热辐射屏4与外真空容器2之间的温度在40K-300K之间，40K热辐射屏4与样品室间的温度在40K-4K之间。常规铜带引线5位于40K-300K的温区，Bi2223高温超导管6位于40K-4K温区。组合电流引线的结构特点是：组合电流引线的上部是高电导的常规铜带引线5，下部是Bi2223高温超导管6，两者通过焊接相连。高电导的常规铜带引线5上端通过外真空容器2和外部的电源相连，常规铜带引线5的绝缘后固定在40K的热辐射屏4上，下端穿过热辐射屏4后与Bi2223高温超导管6上端焊接；Bi2223高温超导管6的下端分别与背场超导磁体9及超导互感器10的引出线焊接。

Claims (3)

1.一种传导冷却式超导接头电阻测量装置，包括低温系统和样品室，其特征在于所述的低温系统由外真空容器(2)、GM制冷机(1)、40K热辐射屏(4)及导热结构(8)组成；GM制冷机(1)的一级冷头(3)穿过外真空容器(2)与40K热辐射屏(4)连接；GM制冷机(1)的二级冷头(7)穿过40K热辐射屏(4)后，通过导热结构(8)同样品室进行热连接；所述的样品室由背场超导磁体(9)、超导互感器(10)和样品槽(11)组成；样品室包裹在40K热辐射屏(4)内，并通过导热结构(8)连接并固定在GM制冷机(1)的二级冷头(7)上；背场超导磁体(9)骨架的上法兰通过导热结构(8)上的一个导热铜块连接到GM制冷机(1)的二级冷头(7)的下方；样品槽(11)位于超导互感器(10)骨架内孔的中间，为一个环形凹槽，并同超导互感器(10)的骨架连成一体；超导互感器(10)放置在距离背场超导磁体(9)的正下方≥400mm处；超导互感器(10)通过导热结构(8)上的一个半圆形的导热铜板(12)连接并固定到GM制冷机(1)的二级冷头(7)上。

2.按照权利要求1所述的超导接头电阻测量装置，其特征在于所述的超导互感器(10)下方的真空容器(2)的下底板中心有一个向上凸起的室温孔(13)，室温孔(13)穿过样品槽(11)的中心。

3.按照权利要求2所述的超导接头电阻测量装置，其特征在于测量时，先用一根超导线制成一个与样品槽(11)直径相同的单匝闭合环(15)，然后将单匝闭合环(15)的两个出线相互缠绕成一段双绞线，再将超导线的两端焊接成超导接头(14)；超导接头(14)放置于背场超导磁体(9)的内孔中心；通过超导互感器(10)给单匝闭合环(15)感应电流；利用所述的室温孔(13)在外界使用常规霍尔探头来测量单匝闭合环(15)中心磁场的大小，然后计算出此刻单匝闭合环(15)中电流的大小，所依据公式为：i＝2B·R/u₀，式中：B为单匝闭合环(15)中心的磁场感应强度，R为单匝闭合环(15)的内半径，u₀为真空磁导率；测量出两个不同时间点的单匝闭合环(15)的电流值就可以计算出超导接头(14)实际的电阻值。

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