CN102751069B - 低电阻多芯NbTi/Cu超导磁体线圈内接头及制备方法 - Google Patents
低电阻多芯NbTi/Cu超导磁体线圈内接头及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了低电阻多芯NbTi/Cu超导磁体线圈内接头，由超导线材、接头铠甲与接头铠甲焊接用线圈组成；超导线材由第一多芯NbTi/Cu线材与第二多芯NbTi/Cu线材组成，其一端制作成接头，另一端制成磁体线圈；第一多芯NbTi/Cu线材与第二多芯NbTi/Cu线材制作成接头的一端设置在接头铠甲轴心与接头铠甲轴管之间的缝隙处，接头铠甲轴管的外表面设置有接头铠甲焊接用线圈。本发明还公开了该接头制备方法，通过清洗、腐蚀线材表面Cu、编织、挂焊料、安装、成型焊接制得超导磁体线圈内接头。降低超导接头的接触电阻，减少磁体由于接头电阻过大所产生的热量，缩短了磁体的励磁和退磁时间，增强了磁体稳定性。
Description
技术领域
本发明属于超导磁体技术领域，涉及一种低电阻多芯NbTi/Cu超导磁体线圈内接头，本发明还涉及该接头的制备方法。
背景技术
自1909年发现超导现象以来，超导材料及其应用技术有了较快的进步。在科学研究（高场磁体，分析用的核磁共振磁体，加速器磁体，粒子探测器磁体，等等）、医疗/食品（医用磁共振成像磁体，食品分离用磁体）、一般工业（Si单晶生长磁体，钢连铸用磁体，水处理用磁分离磁体）、交通/运输（磁悬浮列车，船舶推进，弹射器）和电力（电力传输电缆，故障电流限制器，变压器，发电机，马达，储能等）等领域有了很广泛的应用。
在上述应用中，由于带材的长度总是有限，必须用超导接头连接以满足对长度的需要；在高场稳定的超导磁体里，为了持续电流模式运行，也需要超导接头，因此制作低电阻的超导接头是必须解决的关键技术问题。例如，医用磁共振成像磁体要求磁场稳定度小于0.1ppm/h，如果磁体电感为1H，则超导接头电阻应小于2.8×10-11Ω。如果要求更高的磁场稳定度，对超导接头电阻的要求就会更高。同时，更小的接头电阻意味着磁体总发热量的减小，这样会使磁体的稳定性大大提升。
目前超导磁体内接头的制作工艺主要有激光焊接、冷压焊接、超声焊接、电阻钎焊工艺。各工艺过程得到接头的电阻各异，有的工艺过程复杂难以控制，且制作周期较长，有的工艺难以获得更低的电阻以降低磁体的发热量。现有技术有针对超导电缆接头的制作，但没有对单根超导线材接头制作的方法。对于超导线材绕制的大型磁体，由于其成本巨大，对磁体稳定性的要求更高。但由于大型磁体的接头数目较多，获得一种制作工艺简单、易于实现、适用性强的接头工艺十分必要。
发明内容
为了克服现有工艺复杂、难以获得更低内接头电阻的问题，本发明提供一种低电阻多芯NbTi/Cu超导磁体线圈内接头，制作工艺简单，通过降低超导接头的接触电阻，减少磁体由于接头电阻过大所产生的热量，缩短了磁体的励磁和退磁时间，而且特别是在磁体闭环运行时可延长磁体由于磁场衰减进行第二次励磁的时间周期，增强了磁体稳定性，节约了磁体的维护成本。
本发明的另一目的是提供上述低电阻多芯NbTi/Cu超导磁体线圈内接头的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，低电阻多芯NbTi/Cu超导磁体线圈内接头，由超导线材、接头铠甲与接头铠甲焊接用线圈组成；超导线材由第一多芯NbTi/Cu线材与第二多芯NbTi/Cu线材组成，第一多芯NbTi/Cu线材的一端与第二多芯NbTi/Cu线材的一端制作成接头，第一多芯NbTi/Cu线材的另一端与第二多芯NbTi/Cu线材的另一端绕制成磁体线圈；接头铠甲由接头铠甲轴心与接头铠甲轴心外表面设置的接头铠甲轴管组成；第一多芯NbTi/Cu线材与第二多芯NbTi/Cu线材制作成接头的一端设置在接头铠甲轴心与接头铠甲轴管之间的缝隙处，接头铠甲轴管的外表面设置有接头铠甲焊接用线圈。
本发明所采用的另一技术方案是，低电阻多芯NbTi/Cu超导磁体线圈内接头的制备方法，按照以下步骤进行：
步骤1清洗
将第一多芯NbTi/Cu线材与第二多芯NbTi/Cu线材绕制成磁体线圈并将两端头从磁体线圈骨架的一侧抽出，将第一多芯NbTi/Cu线材与第二多芯NbTi/Cu线材用丙酮清洗干净；
用RRR值大于150的无氧铜制作接头铠甲轴心与接头铠甲轴管，并用无水乙醇清洗干净；
制作接头铠甲焊接用线圈；
步骤2腐蚀线材表面Cu
将步骤1清洗后的第一多芯NbTi/Cu线材与第二多芯NbTi/Cu线材的两端头部分，分别在30%浓度的硝酸溶液中浸泡腐蚀，腐蚀掉端头20cm长度表面的铜，直到第一多芯NbTi/Cu线材与第二多芯NbTi/Cu线材中的超导芯丝NbTi完全露出，此时使用放置蒸馏水的超声波清洗机清洗3遍第一多芯NbTi/Cu线材与第二多芯NbTi/Cu线材；
步骤3编织
将步骤2清洗后的第一多芯NbTi/Cu线材与第二多芯NbTi/Cu线材端头部分露出的超导芯丝NbTi编织成为一股，制作成接头，形成单股NbTi/Cu线材；
步骤4挂焊料
将步骤3得到的单股NbTi/Cu线材放在熔化的锡铅合金熔池中，待单股NbTi/Cu线材端头的超导芯丝表面的锡铅合金分布均匀后停止；
步骤5安装
将步骤4得到的单股NbTi/Cu线材螺旋缠绕在步骤1制得的接头铠甲轴心上，再将步骤1制得的接头铠甲轴管套在接头铠甲轴心表面，将接头铠甲焊接用线圈套在接头铠甲轴管外表面，完成超导磁体内接头的安装；
步骤6成型焊接
对电容器进行充电，充电电压为20kV，电容器电容为100uF，将充电后的电容器与接头铠甲焊接用线圈连接，电容器开始放电；电容器放电时，大电流在接头铠甲焊接用线圈内部产生磁场，接头铠甲焊接用线圈中的接头铠甲轴管表面感应产生涡电流，接头铠甲焊接用线圈的电流和接头铠甲轴管所带电流保持与磁力相反的方向，磁力在微秒内呈放射状压缩接头铠甲轴管，使接头铠甲轴管远离接头铠甲焊接用线圈并挤压接头铠甲轴心，最终使接头铠甲轴管与接头铠甲轴心紧密结合，即得。
本发明的有益效果是，将接头铠甲焊接用线圈与电容器连接，采用电容器放电的方式，对接头铠甲焊接用线圈加载大电流，该电流就会在接头铠甲焊接用线圈内部产生较大磁场，接头铠甲焊接用线圈中的接头铠甲轴管表面会感应产生涡电流。根据楞次定律，涡电流向着接头铠甲焊接用线圈缠绕的方向移动。在接头铠甲焊接用线圈中的接头铠甲轴管将受到一个向内的径向力作用。如果接头铠甲焊接用线圈电流方向改变，线圈中的接头铠甲轴管表面的涡电流也会改变。因此，无论电流方向如何改变，接头铠甲焊接用线圈电流和接头铠甲轴管所带电流保持与磁力相反的方向，磁力在微秒内呈放射状压缩接头铠甲轴管，使接头铠甲轴管远离接头铠甲焊接用线圈，开始变形，所形成的形状与接头铠甲轴心的形状一致，使接头铠甲轴管与接头铠甲轴心紧密的结合在一起。这样，减少了超导接头的接触电阻，减少磁体由于接头电阻过大所产生的热量，缩短了磁体的充磁时间，特别是在磁体闭环运行时可延长磁体再充磁的时间间隔，增强了磁体稳定性。
附图说明
图1是本发明的超导磁体线圈内接头的结构示意图。
图2是本发明中接头铠甲轴心的结构示意图。
图3是图2的A-A剖面图。
图4是本发明中接头铠甲轴管的结构示意图。
图5是图4的A-A剖面图。
图6是本发明中接头铠甲焊接用线圈的结构示意图。
图7是图6的侧视图。
图中，1.接头铠甲轴心，2.接头铠甲轴管，3.接头铠甲焊接用线圈，4.第一多芯NbTi/Cu线材，5.第二多芯NbTi/Cu线材。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种低电阻多芯NbTi/Cu超导磁体线圈内接头的结构，如图1所示，由超导线材、接头铠甲与接头铠甲焊接用线圈3组成。
超导线材由第一多芯NbTi/Cu线材4与第二多芯NbTi/Cu线材5组成，第一多芯NbTi/Cu线材4的一端与第二多芯NbTi/Cu线材5的一端制作接头，第一多芯NbTi/Cu线材4的另一端与第二多芯NbTi/Cu线材5的另一端绕制成磁体线圈。
接头铠甲由接头铠甲轴心1与接头铠甲轴心1外表面设置的接头铠甲轴管2组成，接头铠甲由剩余电阻率（RRR值）大于150的无氧铜制作。
第一多芯NbTi/Cu线材4与第二多芯NbTi/Cu线材5相连接制作接头的一端设置在接头铠甲轴心1与接头铠甲轴管2之间的缝隙处。接头铠甲轴管2的外表面设置有接头铠甲焊接用线圈3。
本发明的低电阻多芯NbTi/Cu超导磁体线圈内接头的制备方法，按照以下步骤进行：
步骤1清洗
将第一多芯NbTi/Cu线材4与第二多芯NbTi/Cu线材5绕制成磁体线圈并将两端头从磁体线圈骨架的一侧抽出，将第一多芯NbTi/Cu线材4与第二多芯NbTi/Cu线材5，用丙酮清洗干净；
用RRR值大于150的无氧铜制作接头铠甲轴心1与接头铠甲轴管2，并用无水乙醇清洗干净；接头铠甲轴心1的结构如图2、3所示，接头铠甲轴管2的结构如图4、5所示，
制得接头铠甲焊接用线圈3，结构如图6、7所示。
步骤2腐蚀线材表面Cu
将步骤1清洗后的第一多芯NbTi/Cu线材4与第二多芯NbTi/Cu线材5的端头部分，分别在30%浓度的硝酸溶液中浸泡腐蚀，腐蚀掉端头20cm长度表面的铜，直到第一多芯NbTi/Cu线材4与第二多芯NbTi/Cu线材5中的超导芯丝NbTi完全露出，此时使用放置蒸馏水的超声波清洗机清洗3遍第一多芯NbTi/Cu线材4与第二多芯NbTi/Cu线材5；
步骤3编织
将步骤2清洗后的第一多芯NbTi/Cu线材4与第二多芯NbTi/Cu线材5端头部分露出的超导芯丝NbTi编织成为一股，制作成接头，形成单股NbTi/Cu线材。
具体来说，将第一多芯NbTi/Cu线材4与第二多芯NbTi/Cu线材5端头露出的超导芯丝NbTi按照数量2:1的比例分成二份，先将第一多芯NbTi/Cu线材4与第二多芯NbTi/Cu线材5中超导芯丝NbTi的1/3数量部分合为一股，第一多芯NbTi/Cu线材4与第二多芯NbTi/Cu线材5中超导芯丝NbTi的数量被等分成了三股，将这三股超导芯丝NbTi编织成一股，最终形成一根单股NbTi/Cu线材。
步骤4挂焊料
将步骤3得到的单股NbTi/Cu线材放在熔化的锡铅合金熔池中，待单股NbTi/Cu线材端头的超导芯丝表面的锡铅合金分布均匀后停止；
步骤5安装
将步骤4得到的单股NbTi/Cu线材螺旋缠绕在步骤1制得的接头铠甲轴心1上，再将步骤1制得的接头铠甲轴管2套在接头铠甲轴心1表面，将接头铠甲焊接用线圈3套在接头铠甲轴管2外表面，完成超导磁体内接头的安装。
步骤6成型焊接
对电容器进行充电，充电电压为20kV，电容器电容为100uF，将充电后的电容器与接头铠甲焊接用线圈3连接，电容器开始放电；电容器放电时，大电流在接头铠甲焊接用线圈3内部产生磁场，接头铠甲焊接用线圈3中的接头铠甲轴管2表面会感应产生涡电流，接头铠甲焊接用线圈3的电流和接头铠甲轴管2所带电流保持与磁力相反的方向，磁力在微秒内呈放射状压缩接头铠甲轴管2，使接头铠甲轴管2远离接头铠甲焊接用线圈3并挤压接头铠甲轴心1，最终使接头铠甲轴管2与接头铠甲轴心1紧密结合，即得到本发明的低电阻超导磁体内接头，结构如图1所示。
本发明的超导接头，减小了磁体线圈的接头电阻，制作的超导接头分别用感应法和四引线法测试，在自场下其接头电阻达到1.9×10-11Ω，磁体的稳定性得到了提高，在实际应用中效果良好，使用方便。
Claims (4)
1.一种低电阻多芯NbTi/Cu超导磁体线圈内接头，其特征在于，由超导线材、接头铠甲与接头铠甲焊接用线圈（3）组成；
所述超导线材由第一多芯NbTi/Cu线材（4）与第二多芯NbTi/Cu线材（5）组成，第一多芯NbTi/Cu线材（4）的一端与第二多芯NbTi/Cu线材（5）的一端制作成接头，第一多芯NbTi/Cu线材（4）的另一端与第二多芯NbTi/Cu线材（5）的另一端绕制成磁体线圈；
所述接头铠甲由接头铠甲轴心（1）与接头铠甲轴心（1）外表面设置的接头铠甲轴管（2）组成；
所述第一多芯NbTi/Cu线材（4）与第二多芯NbTi/Cu线材（5）制作成接头的一端设置在接头铠甲轴心（1）与接头铠甲轴管（2）之间的缝隙处，所述接头铠甲轴管（2）的外表面设置有接头铠甲焊接用线圈（3）。
2.根据权利要求1所述的低电阻多芯NbTi/Cu超导磁体线圈内接头，其特征在于，所述接头铠甲由RRR值大于150的无氧铜制得。
3.一种如权利要求1或2所述的低电阻多芯NbTi/Cu超导磁体线圈内接头的制备方法，其特征在于，按照以下步骤进行：
步骤1清洗
将第一多芯NbTi/Cu线材（4）与第二多芯NbTi/Cu线材（5）绕制成磁体线圈并将第一多芯NbTi/Cu线材（4）的一端与第二多芯NbTi/Cu线材（5）的一端从磁体线圈骨架的一侧抽出，将第一多芯NbTi/Cu线材（4）与第二多芯NbTi/Cu线材（5）用丙酮清洗干净；
用RRR值大于150的无氧铜制作接头铠甲轴心（1）与接头铠甲轴管（2），并用无水乙醇清洗干净；
制作接头铠甲焊接用线圈（3）；
步骤2腐蚀线材表面Cu
将步骤1清洗后的第一多芯NbTi/Cu线材（4）的一端与第二多芯NbTi/Cu线材（5）的一端，分别在30%浓度的硝酸溶液中浸泡腐蚀，腐蚀掉端头20cm长度表面的铜，直到第一多芯NbTi/Cu线材（4）与第二多芯NbTi/Cu线材（5）中的超导芯丝NbTi完全露出，此时使用放置蒸馏水的超声波清洗机清洗3遍第一多芯NbTi/Cu线材（4）与第二多芯NbTi/Cu线材（5）；
步骤3编织
将步骤2清洗后的第一多芯NbTi/Cu线材（4）与第二多芯NbTi/Cu线材（5）端头部分露出的超导芯丝NbTi编织成为一股，制作成接头，形成单股NbTi/Cu线材；
步骤4挂焊料
将步骤3得到的单股NbTi/Cu线材放在熔化的锡铅合金熔池中，待单股NbTi/Cu线材端头的超导芯丝表面的锡铅合金分布均匀后停止；
步骤5安装
将步骤4得到的单股NbTi/Cu线材螺旋缠绕在步骤1制得的接头铠甲轴心（1）上，再将步骤1制得的接头铠甲轴管（2）套在接头铠甲轴心（1）表面，将接头铠甲焊接用线圈（3）套在接头铠甲轴管（2）外表面，完成超导磁体内接头的安装；
步骤6成型焊接
对电容器进行充电，充电电压为20kV，电容器电容为100uF，将充电后的电容器与接头铠甲焊接用线圈（3）连接，电容器开始放电；电容器放电时，大电流在接头铠甲焊接用线圈（3）内部产生磁场，接头铠甲焊接用线圈（3）中的接头铠甲轴管（2）表面感应产生涡电流，接头铠甲焊接用线圈（3）的电流和接头铠甲轴管（2）所带电流保持与磁力相反的方向，磁力在微秒内呈放射状压缩接头铠甲轴管（2），使接头铠甲轴管（2）远离接头铠甲焊接用线圈（3）并挤压接头铠甲轴心（1），最终使接头铠甲轴管（2）与接头铠甲轴心（1）紧密结合，即得。
4.根据权利要求3所述的低电阻多芯NbTi/Cu超导磁体线圈内接头的制备方法，其特征在于，所述步骤3的具体编织过程是，将第一多芯NbTi/Cu线材（4）与第二多芯NbTi/Cu线材（5）端头露出的超导芯丝NbTi按照数量2:1的比例分成二份，先将第一多芯NbTi/Cu线材（4）与第二多芯NbTi/Cu线材（5）中超导芯丝NbTi的1/3数量部分合为一股，第一多芯NbTi/Cu线材（4）与第二多芯NbTi/Cu线材（5）中超导芯丝NbTi的数量被等分成了三股，将这三股超导芯丝NbTi编织成一股，最终形成一根单股NbTi/Cu线材。
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