CN102593621A - 一种超导线接头 - Google Patents

Abstract

一种超导线接头，所述超导线接头包括支撑管、待连接超导线的超导丝簇、铜管和超导焊料。所述的支撑管外圆柱面上有螺旋状沟槽，且外圆柱面和沟槽上沿径向均有通孔。待连接超导线的超导丝簇缠绕在支撑管的螺旋状沟槽内后，缠绕有所述的超导丝簇的支撑管连同一段超导线整体插入到铜管中，铜管内部其余空间内充满超导焊料；所述铜管材料纯度99.999％，退火态，所述支撑管为NbTi超导合金材料；所述的超导焊料的组分为Bi、Pb和Sn，各组分的质量比为Bi：53～55％，Pb：36％，Sn：余量。本发明制备的超导线接头电阻率低、制备过程简易、对超导线性能损坏威胁小、适用于工程现场实际操作。

Description

一种超导线接头

技术领域

本发明涉及一种超导线接头，特别涉及一种采用超导焊料制备的超导线接头。

背景技术

在具备复杂电磁结构和高精度特点的超导磁体研制过程中，由于商业供应超导线单根长度的限制或者磁体绕制工艺的需要，往往要在磁体中各线圈的超导线之间进行超导电性连接，而这些超导线之间接头质量的好坏将直接影响到超导磁体系统的稳定运行。类似地，制造由多个超导磁体组成的超导磁体系统时，如果要求将各个磁体串联起来由单一电源供电，也需要将各个磁体端部首尾串联连接。与各个磁体单独供电的方式相比，单一供电方式能使磁体系统具备更高的工作可靠性。另外，对于需要闭环运行的超导磁体，也需要将磁体的两端与超导开关连接起来从而形成闭合回路。因此，高质量超导磁体建造离不开超导接头的制备技术。

超导磁体中超导线接头的质量稳定性与可靠性直接影响磁体的性能。在复杂超导磁体建造中，超导线的绕制和超导线之间的连接是同时进行的。接头制作的工艺质量直接影响到工程的进度。另外，复杂磁体的许多接头处在磁体内部，不能对其进行拆卸检测和再修复，任何一个接头的质量都将影响整个磁体的性能，甚至可能使整个磁体报废。因此，在复杂磁体制造中接头必须具有很高的可靠性。对于一般的组合磁体或磁体系统，虽然接头可以放在比较容易操作的地方，但是由于整个磁体需要工作在封闭的低温环境下，因而对接头进行经常性检测和修复也是不现实的。因此必须保证接头质量的高可靠性。对于闭环运行的超导磁体来说，接头的性能还直接决定了磁体的工作性能和持续运行时间。

因此在某些超导应用重要领域，如核磁共振成像(MRI)或核磁共振谱仪(NMR)磁体系统中，高性能的超导接头是保证其正常工作的前提之一，是发展超导磁体应用的一项关键技术。

超导线接头最基本的性能要求是接头在满足磁体运行电流值的前提下，必须能够在一定背场条件下具有较低的电阻值。超导磁体的工作电流一般达到上百甚至上千安培量级，电阻太大会引起严重的焦耳热损耗，可能导致磁体失超。对于闭环运行的超导磁体，接头电阻导致了磁场的衰减。如果要求磁场的稳定度达到某一水平，则要求接头的电阻必须小于某一定的量值，例如对于NMR磁体系统，一般需要超导接头的电阻不高于10^-12欧姆。同样超导接头需要安装放置在磁体边缘部位，一般来说接头会受到几百到一万高斯的背景磁场影响，由于超导接头可能承受磁体绕制过程中的弯曲应力、工作状态下的电磁应力、和冷却过程中受到的收缩应力，因此超导接头还必须具有一定的机械强度和韧性。

现有超导接头技术主要有：冷压焊法、爆炸焊法、超声波焊法、钎焊锡焊法等。美国强磁场国家实验室的Charles A.Swenson，提出了一种采用焊接法制备核磁共振谱仪(NMR)磁体接头的方法，接头电阻小于1×10^-11欧姆。美国专利US3346351公开了采用InBi和InPb合金超导焊料的超导接头技术。日本的T.Fukuzaki在开发频率为1GHz的NMR中，磁体中Nb₃Al和NbTi两种超导线的接头采用了一种锡焊的方法，接头电阻1.27×10^-12欧姆。但是这种方法在制备中为了防止焊锡氧化，都要求接头需要在真空或者保护气体的密闭环境下进行，这对于工程现场、较大体积磁体的操作要求苛刻，限制了实际工程应用。并且其接头的临界背场仅0.6T，只能适用于0.4T以下的背场下，说明其采用的焊料超导性能并不高。

根据对目前超导接头研究现状调研结果分析可知，目前尚需一种能够适用于核磁共振谱仪、核磁共振成像超导磁体等工程现场实际的高性能超导线接头制备技术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有超导线接头方法中存在的接头非超导连接、超导线易损伤、工艺气氛条件复杂苛刻、超导线接头临界性能较低等问题，提出一种在普通空气环境条件下采用特殊超导焊料制备的超导线接头，本发明可用于Nb₃Sn和NbTi等超导线，可以使超导线接头实现超导连接，降低接头电阻。

本发明的技术方案在于：

一种超导线接头，所述的接头包括支撑管、待连接超导线的超导丝簇、铜管和超导焊料；所述的支撑管外圆柱面上有螺旋状沟槽，且外圆柱面和沟槽上沿径向均开有通孔；待连接超导线的超导丝簇缠绕在支撑管的螺旋状沟槽内，缠绕有所述的超导丝簇的支撑管连同一段超导线整体插入到铜管中，铜管内部其余空间内充满超导焊料；所述铜管材料纯度99.999％，退火态，所述支撑管为NbTi超导合金材料；所述的超导焊料的组分为Bi、Pb和Sn，各组分的质量比为Bi：53～55％，Pb：36％，Sn：余量。

所述的待连接的超导线的超导丝簇是将待连接的超导线端部的绝缘层去除、并将纯铜或铜合金基体材料全部腐蚀掉后露出的部分。所述的待连接的超导线是两根或者多根。

一种制备所述的超导线接头的方法，制备方法的步骤为：

(1)首先清除待连接的超导线外部的绝缘层；

(2)将所述的超导线浸入前驱焊料熔液中，直至将所述的超导线端部的纯铜或铜合金基体材料全部腐蚀掉，露出散开的超导丝簇；其中，所述的前驱焊料的组分为Sn和Pb，各组分质量比为Sn：85～99％，余量为Pb；

(3)将所述的超导丝簇从前驱焊料熔液中取出，随后浸入超导焊料熔液中，10-30分钟后取出；其中，所述的超导焊料的组分为Bi、Pb和Sn，各组分的质量比为Bi：53～55％，Pb：36％，Sn：余量；

(4)迅速将尚未冷却凝固的表面包覆有超导焊料的超导丝簇缠绕在支撑管的螺旋状沟槽内；

(5)另取所述的超导焊料放入铜管内，且将超导焊料填满铜管，并加热超导焊料到熔融态；

(6)将步骤(4)制得的缠绕有超导丝簇的支撑管连同一段超导线一同浸入铜管内的所述熔融态超导焊料中，使铜管内的超导焊料完全浸润和包覆所述的超导丝簇；

(7)对所述的铜管缓慢降温至凝固成为超导接头，至此所述的超导线接头制作完成。

其中，制备所述的超导线接头的气氛条件为普通空气环境。

本发明的超导线接头制备方法改变了普通接头技术中直接将待连接超导线用普通焊料连接起来的方法，利用具备超导特性的特种焊料取代普通超导线中的铜基体材料，并将待连接超导线中的超导丝放置在同一块特种焊料体中，即进行直接连接。这样超导接头的电流路径就由普通接头的“超导丝-基体-普通焊料-基体-超导丝”转变为“超导丝-超导焊料-超导丝”，实现了超导直连，降低了接头电阻，杜绝了磁体中大电流通过基体和普通焊料中时产生的焦耳热，避免了电流衰减。

本发明采用的焊接材料为经过优化得到的特定组分的BiPbSn超导合金，通过实际测试证明该超导合金在低温下具备较好的临界特性，能够满足高精度磁体中超导接头的临界背场高于1.4T，克服了一般的超导焊料低温临界性能差的缺点。

本发明通过合理控制焊料熔液组分和工艺，显著减少了在焊料熔液表面生成的氧化物膜的形成，从而取代了对实验环境中密闭惰性气氛的严格要求，取而代之的是采用在普通空气环境条件下直接进行接头制备，简化了实验条件，更加适合在工程现场制作大型超导磁体接头。

本发明采用了NbTi超导合金材料制备的支撑管，作用在于：它能够支撑柔软的超导丝簇，通过超导丝簇的螺旋缠缠绕作用，使尽量长的超导丝簇能够都浸没在铜管内。这样在有效的接头空间内，能够盛放更多的超导丝簇，增加待连接超导丝相互接触的机率。另一作用在于：可以减小铜管的长度，从而减小接头本身的体积，对工程实际有利。支撑管内部的空心管和管壁上的通孔的作用在于使液态超导焊料便于流动；支撑管采用NbTi超导合金材料，本身在低温下处于超导态，也能够起到导通电流的作用。

本发明的铜管采用了纯度99.999％的退火态纯铜，该材料在4.2K低温下的热导率达到11300W/(m·K)，剩余电阻率(剩余电阻率定义为材料在293K温度时的电阻率与其在4.2K温度时的电阻率两者之间的比值)达到2000，而常用的电解铜在相同条件下的热导率仅为560W/(m·K)，剩余电阻率RRR仅为100。纯度99.999％的退火态纯铜材料具备了优异的低温热导率和极低的电阻率，在超导接头中起到了稳定超导接头临界性能、增加接头的分流能力、改善导冷效果的作用。

附图说明

图1本发明超导线接头结构示意图；

图2支撑管结构示意图；

图3超导焊料在背场下的临界性能转变曲线；

图4NbTi/Cu超导线接头临界电流与背场关系的实验曲线。

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。

图1为本发明超导线接头结构示意图。如图1所示，所述的接头包括支撑管、待连接超导线的超导丝簇、铜管和超导焊料；所述的支撑管外圆柱面上有螺旋状沟槽，且外圆柱面和沟槽上沿径向均开有通孔；待连接超导线的超导丝簇缠绕在支撑管的螺旋状沟槽内，缠绕有所述的超导丝簇的支撑管连同一段超导线整体插入到铜管中，铜管内部其余空间内充满超导焊料；所述铜管材料纯度99.999％，退火态，所述支撑管为NbTi超导合金材料；所述的超导焊料的组分为Bi、Pb和Sn，各组分的质量比为Bi：53～55％，Pb：36％，Sn：余量；所述的待连接的超导线是两根或者多根。

在图1中，所示超导线由纯铜或铜合金基体材料、镶嵌在基体材料内部的超导丝簇、及表面的绝缘层组成。

图2为支撑管结构示意图。支撑管外圆柱面上有螺旋状沟槽，且外圆柱面和沟槽上沿径向均开有通孔，待连接超导线的超导丝簇缠绕在支撑管的螺旋状沟槽内。

制备本发明所述的超导线接头的方法如下：首先清除待连接的超导线外部的绝缘层；将所述的超导线浸入前驱焊料熔液中，直至将所述的超导线端部的纯铜或铜合金基体材料全部腐蚀掉，露出散开的超导丝簇；所述的前驱焊料的组分为Sn和Pb，各组分质量比为Sn：85～99％，余量为Pb；将所述的超导丝簇从前驱焊料熔液中取出，随后浸入超导焊料熔液中，10-30分钟后取出；所述的超导焊料的组分为Bi、Pb和Sn，各组分的质量比为Bi：53～55％，Pb：36％，Sn：余量；迅速将尚未冷却凝固的表面覆有超导焊料的超导丝簇缠绕在支撑管的螺旋状沟槽内；另取所述的超导焊料放入铜管内，将超导焊料填满铜管，并加热超导焊料到熔融态；将制得的缠绕了超导丝簇的支撑管连同一段超导线一同浸入铜管内的所述熔融态超导焊料中，使铜管内的超导焊料完全浸润和包覆所述的超导丝簇；对所述的铜管缓慢降温至凝固成为超导接头，至此所述的超导线接头制作完成。超导线接头制备在普通空气环境下进行。所述的待连接的超导线是两根或者多根。

图3为超导焊料在背场下的临界性能转变曲线。从图3中可以看出：超导焊料在1T的背场下的超导临界转变温度仍旧能够达到5K以上，高于液氦温度的4.2K。超导焊料较高的超导临界转变温度保证了超导线接头在超导磁体运行过程中保持稳定的工作状态。

实施例1：

制备NbTi/Cu超导线接头。待连接超导线为两根规格相同的NbTi/Cu超导线，超导线截面为圆形，线径0.65mm，铜超比2，超导丝的平均丝径13μm，丝数830，最小剩余电阻率100。采用本发明的超导线接头制备方法如下：首先清除待连接的超导线外部的绝缘层；将所述的超导线浸入前驱焊料熔液中，直至将所述的超导线端部的纯铜或铜合金基体材料全部腐蚀掉，露出散开的超导丝簇；所述的前驱焊料的组分为Sn和Pb，各组分质量比为Sn：85％，余量为Pb；将所述的超导丝簇从前驱焊料熔液中取出，随后浸入超导焊料熔液中，10分钟后取出；所述的超导焊料的组分为Bi、Pb和Sn，各组分的质量比为Bi：53％，Pb：36％，Sn：余量；迅速将尚未冷却凝固的表面覆有超导焊料的超导丝簇缠绕在NbTi超导合金支撑管的螺旋状沟槽内；另取所述的超导焊料放入铜管内，且将超导焊料填满铜管，并加热超导焊料到熔融态；将制得的缠绕在支撑管上的超导丝簇连同支撑管、一段超导线一同浸入铜管内的所述熔融态超导焊料中，使铜管内的超导焊料完全浸润和包覆所述的超导丝簇；对所述的铜管缓慢降温至凝固成为超导接头，至此所述的超导线接头制作完成。超导线接头制备在普通空气环境下进行。

图4为NbTi/Cu超导线接头临界电流与背场关系的实验曲线。从图4中可以看到，超导线接头在背场强度高达1.4T的时候仍旧能够保持150A左右的超导临界电流的载流能力，达到该超导线接头在零场超导临界电流值的68％。说明该超导线接头具备较高的背场承受能力。该性能优于日本T.Fukuzaki的超导接头，其在0.5T背场下的电流承载能力仅达到0.4T背场下的电流承载能力的45％，衰减明显。

采用衰减法，将超导线接头放入专用测试系统中进行4.2K接头电阻测试。测试结果表明：0.5T背场下的接头电阻为1.47×10^-14欧姆，1T背场下的接头电阻为4.14×10^-14欧姆，接头在1.55T背场下仍能保持超导态。

实施例2：

在制备Nb₃Sn超导线圈的过程中，制备了NbTi/CuNi超导线与Nb₃Sn/Cu超导线接头。其中NbTi/CuNi超导线为超导开关用线，Nb₃Sn/Cu超导线为Nb₃Sn超导线圈用线。Nb₃Sn超导磁体通过超导线接头与超导开关连接实现闭环运行。

在超导线接头制备过程中，待连接超导线为两根规格不同超导线。其中，NbTi/CuNi超导线截面为圆形，线径0.50mm，铜超比1.35，超导丝的丝数54，最小剩余电阻率70，基体材料为CuNi合金。Nb₃Sn/Cu超导线规格为：圆形截面，线径0.90mm，超导丝的平均丝径4.5μm，丝数8259，最小剩余电阻率120。采用本发明的超导线接头制备方法如下：将热处理后的Nb₃Sn/Cu超导线外部包裹的玻璃纤维绝缘包套去掉，露出超导线外部的铜基体，同时清除掉NbTi/CuNi超导线外部的formvar材料绝缘层；再将待连接的超导线浸入前驱焊料熔液中，直至将超导线端部的基体材料全部腐蚀掉，露出散开的NbTi超导丝和Nb₃Sn超导丝；将所述的超导丝簇从前驱焊料熔液中取出，随后浸入超导焊料熔液中，30分钟后取出；迅速将尚未冷却凝固的表面覆有超导焊料的超导丝簇小心缠绕在NbTi超导合金支撑管的螺旋状沟槽内；另取所述的超导焊料放入铜管内，且将超导焊料填满铜管，并加热超导焊料到熔融态；将制得的缠绕在支撑管上的超导丝簇连同支撑管、一段超导线一同浸入铜管内的所述熔融态超导焊料中，使铜管内的超导焊料完全浸润和包覆所述的超导丝簇；对所述的铜管缓慢降温至凝固成为超导接头，至此所述的超导线接头制作完成。所述超导焊料的组分为Bi、Pb、Sn，各个组分的质量比分别为Bi：55％，Pb：36％，Sn：余量；所述的前驱焊料的组分为Sn、Pb，组分质量比为Sn：99％，余量为Pb；超导线接头制备在普通空气环境下进行。

将带有超导线接头的超导磁体置于4.2K条件下通电测试，磁体通过超导线接头和超导开关连接闭环成功，通过连续两天的磁场测试结果表明：超导线接头电阻可达到10^-12欧姆量级。

实施例3：

制备NbTi/CuNi超导线与NbTi/Cu超导线接头，待连接超导线为两根规格不同超导线。其中，NbTi/CuNi超导线截面为圆形，线径0.50mm，铜超比1.35，超导丝的丝数54，最小剩余电阻率70，基体材料为CuNi合金。NbTi/Cu超导线截面为圆形，线径0.85mm，铜超比1.3，超导丝的丝数54，最小剩余电阻率70，基体材料为纯Cu。采用本发明的超导线接头制备方法如下：先清除掉NbTi/CuNi超导线与NbTi/Cu超导线外部的formvar材料绝缘层；再将待连接的超导线浸入前驱焊料熔液中，用纯度99.99％的氮气吹向熔液表面减少液面氧化，直至将超导线端部的纯铜和CuNi合金基体材料全部腐蚀掉，露出散开的超导丝簇；将所述的超导丝簇从前驱焊料熔液中取出，随后浸入超导焊料熔液中，同样也用纯度99.99％的氮气吹向熔液表面减少液面氧化，20分钟后取出；迅速将尚未冷却凝固的表面覆有超导焊料的超导丝簇缠绕在NbTi超导合金支撑管的螺旋状沟槽内；另取所述的超导焊料放入铜管内，且将超导焊料填满铜管，并加热超导焊料到熔融态；将制得的缠绕在支撑管上的超导丝簇连同支撑管、一段超导线一同浸入铜管内的所述熔融态超导焊料中，使铜管内的超导焊料完全浸润和包覆所述的超导丝簇；对所述的铜管缓慢降温至凝固成为超导接头，至此所述的超导线接头制作完成。所述的超导焊料的组分为Bi、Pb、Sn，各组分的质量比分别为Bi：54％，Pb：36％，Sn：余量；所述的前驱焊料的组分为Sn、Pb，组各分质量比为Sn：90％，余量为Pb；超导线接头制备在普通空气环境下进行。

采用衰减法，将超导线接头放入专用测试系统中进行4.2K接头电阻测试。测试结果表明：1T背场下的接头电阻为5.0×10^-13欧姆。

Claims (7)

1.一种超导线接头，其特征在于：所述的超导线接头包括支撑管、待连接超导线的超导丝簇、铜管和超导焊料；所述的支撑管外圆柱面上有螺旋状沟槽，且外圆柱面和沟槽上沿径向均开有通孔；待连接超导线的超导丝簇缠绕在支撑管的螺旋状沟槽内；缠绕有所述的超导丝簇的支撑管连同一段超导线整体插入到铜管中，铜管内部其余空间内充满超导焊料。

2.按照权利要求1所述的超导线接头，其特征在于所述的超导焊料的组分为Bi、Pb和Sn，各组分的质量比为Bi：53～55％，Pb：36％，Sn：余量。

3.按照权利要求1所述的超导线接头，其特征在于所述的待连接的超导线是两根或者多根。

4.按照权利要求1所述的超导线接头，其特征在于所述的支撑管的材质为NbTi超导合金材料。

5.按照权利要求1所述的超导线接头，其特征在于所述的铜管为退火态，材料纯度为99.999％。

6.一种制备权利要求1至5的任何一项所述的超导线接头的方法，其特征在于所述的超导线接头制备方法的步骤为：

(1)首先清除待连接的超导线外部的绝缘层；

(2)将所述的超导线浸入前驱焊料熔液中，直至将所述的超导线端部的纯铜或铜合金基体材料全部腐蚀掉，露出散开的超导丝簇；所述的前驱焊料的组分为Sn和Pb，各组分质量比为Sn：85～99％，余量为Pb；

(3)将所述的超导丝簇从前驱焊料熔液中取出，随后浸入超导焊料熔液中，10-30分钟后取出；所述的超导焊料的组分为Bi、Pb和Sn，各组分的质量比为Bi：53～55％，Pb：36％，Sn：余量；

(4)迅速将尚未冷却凝固的表面包覆有超导焊料的超导丝簇缠绕在支撑管的螺旋状沟槽内；

(5)另取所述的超导焊料放入铜管内，将超导焊料填满铜管，并加热超导焊料到熔融态；

(6)将步骤(4)制得的缠绕有超导丝簇的支撑管连同一段超导线一同浸入铜管内的所述熔融态超导焊料中，使铜管内的超导焊料完全浸润和包覆所述的超导丝簇；

(7)对所述的铜管缓慢降温至凝固成为超导接头，至此所述的超导线接头制作完成。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于制备所述的超导线接头的气氛条件为普通空气环境。

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