CN102789867A - 电磁压力制作超导接头的方法 - Google Patents
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Abstract
一种电磁压力制作超导接头的方法，将套有铌管（6）的无氧铜棒（5）插入NbTi管（4）内，NbTi管（4）的外表包有无氧铜管（3）；再将两根NbTi/Cu超导线（1）的一端的NbTi超导丝（2）插入NbTi管（4）和铌管（6）的间隙内。将插有NbTi超导丝（2）的NbTi/Cu复合套管放置在螺管线圈（7）内，用脉冲电源（8）对螺管线圈（7）供电，形成较强的电磁力，通过均匀的电磁压力将两根NbTi/Cu超导线（1）、NbTi超导丝（2）、无氧铜管（3）、NbTi管（4）、无氧铜棒（5），以及铌管（6）紧密压接在一起，形成超导接头。
Description
技术领域
本发明涉及一种超导磁体的超导接头的制作方法。
背景技术
高均匀和高稳定度的超导磁体系统主要应用于科学仪器，医学诊断，特殊电工装备等场合。由于成像和信号的获取的需要，磁体的磁场的稳定度通常小于10-8/h。因此使用超导开关和接头是实现高稳定磁场的重要手段。为此需要发展特殊接头制备工艺以实现磁场的稳定特性，从而实现对物质结构的检测和实现特种功能。目前广泛采用NbTi/Cu（铌钛/铜）超导线来绕制超导磁体，一般如果超导磁体提供的磁场～10T以下，使用NbTi/Cu（铌钛/铜）超导线材来研制超导磁体可以达到其要求。为了实现磁体的闭环运行，必需使用超导开关，使用非常低的电阻的超导接头来形成极低衰减率的磁场。
由于核磁共振医学及科学仪器使用的谱仪磁体等的要求。因此超导接头的电阻应该小于10-13-10-15Ω以下的量级。超导接头的应用要求取决于超导磁体的设计和电感的大小。目前高磁场超导磁体接头工艺主要有，冷压焊接、超声焊接、激光焊接、电阻钎焊。由于超导接头的电阻取决于不同的工艺和处理条件。接头的工艺应该尽可能简单可靠，以保证大型和小型磁体可方便的制作多个接头。
1974年德国Ruhr大学的G.Lauderer等人发展了使用脉冲储能电容器的方法将NbTi多丝线的超导丝直接电焊在NbTi薄膜上，得到电阻小于10-13Ω的接头。1975年美国加州大学的D.Cornish等利用爆炸焊接的方法制备NbTi接头，得到电阻在自磁场下小于10-10Ω的接头。之后他们发展了冷压焊接工艺，得到电阻小于10-9Ω的接头。1976年美国麻省理工学院的M.J.Leupold等利用尼科尔钳去掉铜基体后对其进行压接成形，得到接头电阻小于10-14Ω的接头。同时橡树岭国家实验室使用钎焊接工艺，得到接头电阻小于10-8Ω的接头。采用扩散焊接工艺超导接头：北方交通大学的徐德基制备的接头小于10-12Ω。中科院电工所王秋良等人在专利201010123276.0中提出在Nb/NbTi/Cu（铌/铌钛/铜）的多层复合棒中采用冷压焊接工艺，得到接头电阻小于10-14Ω的接头。
发明内容
为了克服现有冷压焊接超导接头存在的冶金结合的问题，本发明提出一种采用脉冲电磁场成形工艺制作NbTi超导线接头的方法。由于电磁成形工艺主要是依靠脉冲磁场和感应的涡流相互作用产生的电磁力，其力的分布是均匀分布在其金属体内的，因此和其他直接采用加压压力相比较，具有成形均匀和达到较好的冶金结合的特点，可极大提高超导接头在高磁场条件下电流传输特性，实现低电阻运行。
本发明超导接头的制作方法适用于磁场具有长时间稳定的高磁场超导磁体系统，并可以现场连接。
本发明制作方法的工艺步骤是：
1、首先使用体积比为1:3的硫酸和硝酸的混合酸液将NbTi/Cu超导线的一端进行腐蚀。当NbTi/Cu超导线内的铜基体被所述酸液完全腐蚀之后，再经过超声波清洗，除去残杂物，使NbTi/Cu超导线的一端形成清洁的没有被空气氧化的多根NbTi超导丝。
2、把无氧铜管和NbTi管同轴装配，把NbTi管嵌入无氧铜管内，形成外表包有无氧铜管的NbTi管。采用冷压焊接方法将NbTi管和无氧铜管两者紧密连接成一个整体，然后采用超声波清洗，除去残杂物。所述的NbTi管用于磁场屏蔽，无氧铜管是实现超导结构稳定的基材。
3、采用冷压焊接方法将铌管套在无氧铜棒上形成整体，经超声波清洗，除去残杂物。
4、将步骤3制得的套有铌管的无氧铜棒插入步骤2制得的外表包有无氧铜管3的NbTi管内，制成NbTi/Cu复合管。将两根经步骤1腐蚀处理的NbTi/Cu超导线一端的NbTi超导丝插入NbTi管和铌管之间的间隙内。将插有NbTi超导丝的NbTi/Cu复合管放置在一个螺管线圈内，采用脉冲电源对螺管线圈供电，使螺管线圈产生较强的均匀的电磁力，通过所述的电磁力将所述的两根NbTi/Cu超导线及其NbTi超导丝、无氧铜管、NbTi管、无氧铜棒，以及铌管紧密压接在一起，从而实现超导接头的成形。
在所述的NbTi/Cu复合管内，插入NbTi管和铌管之间间隙的多根NbTi超导丝分布在NbTi管和铌管的间隙内，形成最内层为无氧铜棒，无氧铜棒表面套有铌管，铌管表面为NbTi超导丝，NbTi超导丝外层为NbTi管，最外层为无氧铜管的超导接头。
所述的脉冲电源脉冲电流的大小直接决定了压接的压力和冶金结合能力。本发明采用脉冲电源给螺管线圈供电，使快速脉冲磁场和涡流电流相互作用产生均匀的径向收缩电磁压力，此电磁压力将所述的超导接头的各部件紧密压接在一起，形成了较好的冶金结合。
附图说明
图1腐蚀的NbTi/Cu超导线的截面结构，图中：1NbTi/Cu超导线，2NbTi超导丝；
图2复合双层套管的截面结构，图中：3无氧铜管，4NbTi管；
图3表面附有铌管的无氧铜棒的截面结构，图中：5无氧铜棒，6铌管；
图4超导丝插入到NbTi/Cu复合管内的结构图；
图5超导丝插入到NbTi/Cu复合管内直接放置在具有与脉冲电源连接的螺管线圈内的示意图，图中：7螺管线圈，8脉冲电源，9开关。
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。
本发明制作超导接头的步骤如下：
1、将硫酸和硝酸按1:3的体积比配制成混合酸液。将NbTi/Cu超导线1的一端用所述的混合酸液进行腐蚀。当NbTi/Cu超导线1内的铜基体被混合酸液完全腐蚀之后，再经过超声波清洗除去残杂物，NbTi/Cu超导线1的一端便形成清洁的没有被空气氧化的多根NbTi超导丝2，如图1所示。
2、把无氧铜管3和NbTi管4同轴装配，NbTi管4嵌入无氧铜管3内，形成外表包有无氧铜管3的NbTi管4。采用冷压焊接的方法把无氧铜管3和NbTi管4紧密连接成一个整体。经超声波清洗除去残杂物，形成如图2所示的双层套管结构，套管的内层为NbTi管4，NbTi管4外表包有无氧铜管3。
3、将铌管6套在无氧铜棒5上，通过冷压焊接方法使两者形成整体，再经超声波清洗除去残杂物，形成如图3所示的表面套有铌管6的无氧铜棒5。
4、将步骤3制得的套有铌管6的无氧铜棒5插入步骤2制得的外表包有无氧铜管3的NbTi管4内，制成NbTi/Cu复合管。将两根经步骤1腐蚀处理的NbTi/Cu超导线1一端的NbTi超导丝2插入NbTi管4和铌管6之间间隙内，形成如图4所示的复合套管结构。
5、将步骤4制得的插有NbTi超导丝的NbTi/Cu复合管放入螺管线圈7内，采用脉冲电源8对螺管线圈7供电，通过螺管线圈7产生的均匀的电磁力将两根NbTi/Cu超导线1、NbTi超导丝2、无氧铜管3、NbTi管4、无氧铜棒5，以及铌管6紧密压接在一起，完成超导接头的制作。
由于电磁成形工艺主要是依靠脉冲磁场和感应的涡流相互作用产生的电磁力，其力是均匀分布在其金属体内的，因此和其他直接采用加压压力相比较，具有成形均匀和达到较好的冶金结合特点。本发明可以使超导接头具有极低的接头电阻，从而极大提高超导接头在高磁场条件下电流传输特性，实现低电阻运行。
Claims (2)
1.一种电磁压力制作超导接头的方法，其特征在于所述制作方法的步骤为：
1）将硫酸和硝酸按1:3的体积比配制成混合酸液；将NbTi/Cu超导线（1）的一端用所述的混合酸液进行腐蚀；当NbTi/Cu超导线（1）内的铜基体被混合酸液完全腐蚀之后，再经过超声波清洗除去残杂物，NbTi/Cu超导线（1）的一端便形成多根NbTi超导丝（2）；
2）把无氧铜管（3）和NbTi管（4）同轴装配，NbTi管（4）嵌入无氧铜管（3）内，形成外表包有无氧铜管（3）的NbTi管（4）；采用冷压焊接的方法把无氧铜管（3）和NbTi管（4）紧密连接成一个整体；经超声波清洗除去残杂物；
3）将铌管（6）套在无氧铜棒（5）上，通过冷压焊接方法使铌管（6）和无氧铜棒（5）形成整体，再经超声波清洗除去残杂物；
4）将步骤3）制得的套有铌管（6）的无氧铜棒（5）插入步骤2）制得的外表包有无氧铜管（3）的NbTi管4内，制成NbTi/Cu复合管；将两根经步骤1）腐蚀处理的NbTi/Cu超导线（1）一端的NbTi超导丝（2）插入NbTi管（4）和铌管（6）之间间隙内；
5）将步骤4）制得的插有NbTi超导丝（2）的NbTi/Cu复合管放入螺管线圈（7）内，采用脉冲电源（8）对螺管线圈（7）供电，通过螺管线圈（7）产生的均匀的电磁力将所述的两根NbTi/Cu超导线（1）、NbTi超导丝（2）、无氧铜管（3）、NbTi管（4）、无氧铜棒（5），以及铌管（6）紧密压接在一起，至此完成超导接头的制作。
2.按照权利要求1所述的电磁压力制作超导接头的方法，其特征在于，用所述的方法制作的超导接头结构为：最内层为无氧铜棒（5），无氧铜棒(5)表面套有铌管(6)，铌管(6)表面为NbTi超导丝(2)，NbTi超导丝(2)的外层为NbTi管（4），NbTi管（4）的外层为无氧铜管（3）。
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