CN102449848B - 用于两个超导体的末端件的超导连接装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于对两个超导体(12，22)的末端件(12a，22a)进行接触的超导连接装置(10)，所述超导体各具有至少一个嵌在一由常导材料构成的基质(4)中的导体线芯(3i，13，23)，所述导体线芯由超导MgB2材料构成且被一阻隔材料(5)直接包围。在一连接区(8)内的一套管(6)或套筒(9)中，所述末端件(12a，22a)的导体线芯(3i，13，23)被至少部分剥除所述基质材料(4)且未设所述阻隔材料(5)，另外还存在作为超导接触材料(7)的二硼化镁(MgB2)材料，所述二硼化镁材料至少位于所述导体线芯(3i，13，23)之间的分区内。建立所述连接(10)时，减小经此充填处理的套管(6)或套筒(9)的截面。

Description

用于两个超导体的末端件的超导连接装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种用于至少两个超导体的末端件的超导连接装置，所述超导体各具有一由常导材料构成的基质和至少一个嵌在该基质内且由超导MgB2(二硼化镁)构成的导体线芯，其中，在一连接区内的一套管或套筒中，
-所述末端件的导体线芯被至少部分剥除所述基质材料，以及
-还存在作为超导接触材料的MgB2，所述MgB2至少位于所述导体线芯之间的分区内。
相应的超导连接装置和制造这种连接装置的方法可从WO2007/128635A1中获得。
背景技术
使用低温(Low-Tc)超导材料或高温(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导体结构的情况下，至少一个超导导体线芯(或至少一个超导导体线丝)嵌在由常导材料构成的基质中。尤其是在用这类超导体制造超导装置(例如磁绕组)时，需要使相应导体的末端件彼此接触或彼此连接。
某些超导磁绕组，例如用于磁共振断层摄影仪(又称“核自旋或核磁共振断层摄影仪”)的超导磁绕组，须在所谓的“持续电流模式”(英文为“persistentcurrentmode”)下工作。为此须将电磁绕组短接，使设定的磁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。但这要求磁绕组的通电回路实际不具有电阻。为此也须在单个超导导体(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应用超导学术期刊(IEEETransactiononAppliedSuperconductivity)”(第9卷，第2号，1999年6月，第185至187页)中公开过一种用于两个超导体的末端件的超导连接。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。通常将含铅化合物用作焊料，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。磁场超过这个临界磁场的焊料会失去其超导性能，因而通常不适用于强磁场接触的建立。
从《低温工程(Cryogenics)》(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，而是通过对压力和温度的应用借助点焊或扩散接合技术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，线丝没有形成大面积接触，而是形成了点接触。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。
DE3413167A1揭示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线芯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，这种已知方法对于资源的需求很高，在很大程度上不具备可用性。
WO2007/128635A1揭示一种用于两个超导体的末端件的超导连接以及建立这种连接的方法，其中，可在600℃以下用MgB2建立这种连接。这种方法使用蚀刻步骤移除嵌有MgB2导体线芯的基质材料。MgB2材料在蚀刻处理过程中裸露出来，与周围大气发生反应，超导能力下降，以及变脆。蚀刻步骤结束后，MgB2材料有可能碎裂，从而加大为末端件建立连接的难度或者无法为末端件建立连接。
发明内容
本发明的目的是在MgB2超导体之间的末端件处建立一连接或连接装置，这种连接或连接装置一方面在其现有载流能力不发生下降的情况下可实现高达1特斯拉以上、特定而言高达2特斯拉以上的磁感强度，另一方法还易于建立。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相应方法，这种方法能减小或完全避免蚀刻步骤对MgB2导体线芯的损伤，防止末端件碎裂或减小其碎裂程度。
在开篇所述类型的超导连接装置方面，本发明用以达成上述目的的解决方案是权利要求1所述的措施。据此，所述MgB2导体线芯被一阻隔层直接包围并嵌在一常导基质材料内，其中，所述阻隔层的材料不同于所述基质材料。所述末端件的导体线芯被至少部分剥除所述基质材料，至少在所述导体线芯的一正面连接区内不存在所述阻隔材料。在一套管或套筒内的所述连接区中，至少在所述导体线芯之间的部分区域内存在超导接触材料MgB2。
超导连接装置的这种设计方案的优点主要在于，所述连接装置
-的MgB2导体线芯的末端件的超导能力不下降，
-也可应用于强磁场，
-易于制造，成本低廉，不会因蚀刻步骤而降低MgB2导体线芯的超导能力，也不会导致导体线芯碎裂，
-通常只需对待连接末端件进行冲洗、研磨、抛光和挤压处理，这样就无需进行特殊的热处理，
-特别是相对于磁通跳跃而言坚固且稳定，以及
-无需实施从环保角度看令人担忧的蚀刻处理。
相应连接装置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。
本发明的超导连接装置的有利设计方案可从权利要求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，本发明的连接装置还可具有下列特征：
●通过对末端件进行斜磨处理来增大末端件的MgB2超导连接区的面积。
●优选在低于MgB2接触材料的转变温度的温度下工作，该转变温度为39K。借此可确保套管或套筒内整个结构的超导性能。
●尤其是，工作温度可以为约为4.2K的液氦的温度，在这个工作温度下可以使用已知的超导技术设备。
●基质材料可由铜或镍构成，或者包含这些材料或这些材料的化合物。在锡槽中移除铜和镍非常容易，无需蚀刻。
●阻隔材料可由钢或不锈钢构成或者包含这些材料。借此确保在移除基质材料的过程中，由MgB2构成的导体线芯不会受到腐蚀，其超导能力也不会下降。钢(尤其是不锈钢)在锡槽中很稳定，不会发生溶解。
●特别有利的是，所述超导连接可与磁体的超导电磁绕组(如磁共振断层摄影系统的磁体的超导电磁绕组)配合。因为适用于强磁场应用的磁体的构建需要使用在磁场中具有较高载流能力的超导连接。MgB2接触材料与超导能力未降低的、未受损的MgB2导体线芯配合可确保相应应用。
●鉴于这一特性，所述超导连接特别适用于设计为持续电流模式的超导电磁绕组。
在方法方面，本发明用以达成上述目的的解决方案是权利要求10所述的措施。据此，在主张权利的超导连接装置方面设置以下措施：
-在待连接末端件处，至少部分剥除超导导体线芯上的基质材料，
-在剥除过程中不要移除周围的阻隔材料，
-在待连接末端件正面的连接区内，使导体线芯的MgB2材料至少部分裸露，
-将经此剥除处理的导体线芯送入套管或套筒，
-再将MgB2接触材料送入套管或套筒，以及
-减小经此充填处理的套管或套筒的截面。
上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期望连接，这种连接也能在强磁场条件下使用。
尤其是所述阻隔层，它可以在从导体线芯上剥除基质材料的过程中，防止导体线芯被阻隔材料包围的MgB2材料受到腐蚀，从而导致超导能力下降。剥除过程结束后，至少在待连接末端件的正面使导体线芯的MgB2材料至少部分裸露，或者将此前已经裸露的MgB2材料与剥除过程予以隔离。借助于被送入套管或套筒的MgB2接触材料，再配合采取减小套管或套筒截面这一措施，可实现极佳的超导电接触。
制造所述超导连接装置的方法的有利设计方案可从权利要求10的从属权利要求中获得。其中，可将权利要求10所述的实施方式与权利要求10的任意一个或优选多个从属权利要求的特征相结合。据此，该方法还可具有下列特征：
●在将包含超导MgB2和阻隔材料的末端件送入套管或套筒之前，先对其进行斜磨处理，以增大裸露MgB2连接区的面积。增大面积能够改善接触，提高载流能力。
●对连接区进行至少部分研磨和/或抛光处理。借此以简单的方式增大连接区面积，并移除导体线芯末端有可能存在的受损MgB2区域。
●在锡槽中移除基质材料，在此过程中，导体线芯保持被阻隔材料包围的状态。借此可省去蚀刻步骤，阻隔材料则继续为导体线芯的MgB2材料提供保护。
●将粉末状MgB2接触材料送入套管或套筒。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。
●减小截面之后或在减小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。正是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。
●可在氩气氛中实施热处理。借此可防止氧气和水进入MgB2材料，使这种材料的超导能力下降，从而降低超导接触的质量。在氩气中实施所述方法比在真空中实施更为容易，因为防止氧气和水进入热处理炉的方法相对更容易或者资源需求更低。
附图说明
下面借助附图所示的本发明超导连接装置的优选实施例对本发明作进一步说明，其中：
图1为现有技术中的已知多丝超导体的截面图；
图2为本发明连接装置所用的多丝超导体的第一实施方式的纵向剖面图；
图3为多丝超导体的第二实施方式的纵向剖面图；
图4为本发明用于多丝超导体的连接装置的第一实施方式的结构的局部剖面图；以及
图5与图4相似，为这种连接装置的其他实施方式的结构。
具体实施方式
相同部件在各附图中用相同参考符号表示。
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中的超导导体线芯或线丝3i，基质4由常导材料构成。导体线芯3i由MgB2高温超导材料构成。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，特别是这些元素的合金(例如CuNi、AgMg、CuSn、CuZn或NiCr)。
图2为本发明连接装置所用的超导体2的纵向剖面图。超导体2可以采用与图1所示超导体2相似的设计，或者由多个上下堆叠布置的带状导体(作为导体线芯3i)构成。与图1所示超导体2不同的是，图2所示的超导体2的超导导体线芯3i被阻隔材料5包围。阻隔材料5例如可由钢或不锈钢构成。但阻隔材料5也可采用其他的稳定金属如铌Nb。
导体线芯3i的正面末端优选经斜磨处理。这些斜磨末端构成正面连接区8。连接区8可加以研磨和/或抛光处理。借此将导体线芯3i上例如因移除基质材料4而受损的MgB2材料移除或使其裸露。阻隔材料5可以防止导体线芯的MgB2材料在移除基质材料4的过程中以及在该移除过程结束后进一步受损和碎裂。通过这种方式而裸露在外的研磨和/或抛光连接区8可在本发明的连接装置中产生极佳的超导接触效果。
视情况也可在剥除基质材料4之前就至少将导体线芯3i的正面予以裸露。但在之后的剥除过程中，必须采取专门措施来防止导体线芯的这些裸露部分受到剥除剂或蚀刻剂的影响。
导体线芯3i可如图2所示在超导体2中分开布置，即单个导体线芯3i之间设有基质材料4，或者如图3所示相连成一体。导体线芯3i采用这种相连成一体的设计后，可以简化导体线芯3i的末端的研磨和/或抛光处理。
图4为超导体2的至少两个末端件的示意图，这些超导体与图2或图3所示的超导体2相同且借助本发明的连接装置彼此低电阻接触。接触之前，须在超导体2的末端件区域内使至少一个超导导体线芯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)至少部分剥除超导导体线芯上的基质材料。
在此过程中，阻隔材料5为导体线芯3i提供保护。阻隔材料5可以防止MgB2材料碎裂。如果基质材料4能溶解于锡，特别有利的做法就是在锡槽中冲洗导体线芯3i的末端。举例而言，在基质材料4由铜构成的情况下，就可如此处理。用锡槽移除基质材料4可以省去蚀刻过程。通过将钢或不锈钢用作阻隔材料5，可以防止阻隔材料5溶解在锡槽中，这样在用锡实施冲洗处理的过程中，阻隔材料5就可为MgB2材料提供保护。借此避免导体线芯3i受损。
在以研磨和/或抛光方式对导体线芯3i进行斜磨处理的过程中，导体线芯3i的正面末端形成连接区。在该连接区内，阻隔材料5已被移除，MgB2材料完好无损，以便实现导体线芯3i的接触。
图4为两个超导体12和22的示意图，这两个超导体在其末端通过本发明的连接装置实现超导接触。其中，其末端件用12a和22a表示，相应完全裸露的导体线芯用13和23表示。这些导体线芯与例如呈粉末状的MgB2接触材料7一起被送入套筒6或套管(见图5)。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线芯13或23和接触材料7、且至少将其部分包围的元件，借助这种元件可使得被送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)是一种临界温度约为Tc＝39K(常压下)且临界磁场Bc2超过40特斯拉(4.2K时)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，本发明的连接优选在温度低于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(确切说是退火)就能承载超导电流(参见“应用物理快报(AppliedPhysicsLetters)”，第79卷，2001年，第230至233页)。由于临界温度相对较高，这种材料对像磁通跳跃、导体运动或工作温度的非期望升高(会引起所谓的淬火)这样的干扰特别不灵敏。
有待装入裸露导体线芯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。此处适用的材料有基元材料(例如Cu、Ni、Ag、Nb或Fe)和合金(例如钢、NbTi、NiCr或CuZn)。主要在套筒6中导体线芯13和23不直接接触的区域内，在导体线芯之间的间隙中填入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)来建立导体线芯之间的期望接触。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应用超导学术期刊(IEEETransactiononAppliedSuperconductivity)”，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用参考符号10表示。
图5为整体用20表示的超导连接的另一实施方式，其与图4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区域内裸露的导体线芯13和23彼此逆向地与MgB2粉粒7一起被送入套管9，并在此处被挤压在一起。
图4和图5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4，其结果是，在剩余结构的表面上，部分导体线芯呈裸露状(例如参阅EP0556837A1)。随后在嵌入MgB2接触材料的情况下，按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，为图4和图5的图示内容假定，每次只有两个超导体12和22在其末端件12a和22a处彼此电性相连。当然也可在套筒6或套管9中送入超过这个数目的末端件，例如三个超导体的末端件，并在此处将其彼此相连。
上述说明中将MgB2作为接触材料7。但也可以使用MgB2的初始材料，例如Mg前驱物材料和Br前驱物材料。在使用前驱物材料的情况下，通过退火处理以已知方式形成超导相。

Claims (18)

1.一种超导连接装置，所述超导连接装置用于超导体(2)的末端，所述超导体至少为两个，且各具有由常导材料构成的基质(4)和至少一个嵌在所述基质内且由超导MgB2(二硼化镁)构成的导体线芯(3i)，所述导体线芯(3i)分别被一阻隔层直接包围，所述阻隔层由不同于所述基质材料(4)的阻隔材料构成，
其中，在一套管(6)或套筒(9)中的连接区内，
所述导体线芯(3i)的末端被全部剥除所述基质材料(4)，但保留所述阻隔材料，以及还存在作为超导接触材料(7)的MgB2或其初始材料，所述MgB2或其初始材料至少位于所述导体线芯(3i)之间的部分区域内，
至少一个正面连接区(8)上未设将所述导体线芯(3i)包围的阻隔材料(5)。
2.根据权利要求1所述的超导连接装置，其特征在于，
包含所述超导MgB2和所述阻隔材料(5)的所述导体线芯(3i)的末端经斜磨处理。
3.根据权利要求1所述的超导连接装置，其特征在于，
在低于所述MgB2接触材料(7)的转变温度的温度下工作，所述转变温度为39K。
4.根据权利要求3所述的超导连接装置，其特征在于，
工作温度是约为4.2K的液氦温度。
5.根据权利要求1-4中任一项权利要求所述的超导连接装置，其特征在于，
所述基质材料(4)由铜或镍构成，或者所述基质材料(4)包含铜或镍，所述套管(6)或套筒(9)为气密和/或水密封闭。
6.根据权利要求1-4中任一项权利要求所述的超导连接装置，其特征在于，
所述阻隔材料(5)由钢或不锈钢构成，或者包含钢或不锈钢。
7.根据权利要求1-4中任一项权利要求所述的超导连接装置，其特征在于，
可与一磁体的一超导电磁绕组配合。
8.根据权利要求7所述的超导连接装置，其特征在于，
可与一磁共振断层摄影系统的一磁体的一超导电磁绕组配合。
9.根据权利要求8所述的超导连接装置，其特征在于，
可与一设计为持续电流模式的超导电磁绕组配合。
10.一种制造一根据上述权利要求1-9中任一项权利要求所述的超导连接装置的方法，其特征在于，
在待连接的所述导体线芯(3i)的末端处，全部剥除所述超导导体线芯(3i)上的基质材料(4)，
在所述剥除过程中不移除所述阻隔材料(5)，
至少在所述待连接的所述导体线芯(3i)的末端正面的连接区(8)内，使所述导体线芯(3i)的MgB2材料裸露或至少部分裸露，
将经此剥除处理的导体线芯(3i)插入所述套管(6)或套筒(9)，
再将所述MgB2接触材料(7)或其初始材料送入所述套管(6)或套筒(9)，以及
减小经此充填处理的套管(6)或套筒(9)的截面。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，
在将包含所述超导MgB2和所述阻隔材料(5)的所述导体线芯(3i)的末端插入所述套管(6)或套筒(9)之前，先对其进行斜磨处理，以增大裸露MgB2连接区(8)的面积。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，
对所述连接区(8)进行至少部分研磨和/或抛光处理。
13.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，
在一锡槽中移除所述基质材料(4)，在此过程中，所述导体线芯(3i)保持被所述阻隔材料(5)包围的状态。
14.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，
将粉末状的所述MgB2接触材料(7)或其初始材料插入所述套管(6)或套筒(9)，并对其进行热处理。
15.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，在所述截面减小处理之后或期间对充填后的所述套管(6)或套筒(9)在低于600℃进行热处理。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在所述截面减小处理之后或期间对充填后的所述套管(6)或套筒(9)在低于250℃进行所述热处理。
17.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，在所述截面减小处理之后或期间对充填后的所述套管(6)或套筒(9)在氩气氛中进行热处理。
18.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，在所述截面减小处理之后或期间对充填后的所述套管(6)或套筒(9)在气密和/或水密封闭中进行热处理。
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