CN103337333B - Nb3Al超导接头及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
Nb3Al超导接头，包括两根多芯Nb3Al线材，第一多芯Nb3Al线材的一端与第二多芯Nb3Al线材的一端相连接，第一多芯Nb3Al线材的另一端与第二多芯Nb3Al线材的另一端绕制成磁体线圈并连接。其制作方法为首先将第一多芯Nb3Al线材与第二多芯Nb3Al线材的一端绕制成磁体线圈并连接，然后将第一多芯Nb3Al线材与第二多芯Nb3Al线材的另一端头部分清洗干净后腐蚀掉表面的铜，直到超导芯丝完全露出，并灌封于接头管中。本发明Nb3Al超导接头接触电阻低，可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，增强了磁体稳定性。本发明制作方法简单，制作周期短。
Description
技术领域
本发明属于超导磁体技术领域，涉及一种Nb3Al超导接头，本发明还涉及该超导接头的制作方法。
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发展。在科学研究领域，高场磁体、分析用的核磁共振磁体、加速器磁体，粒子探测器磁体等应用较为广泛。核聚变能是资源无限，清洁安全的理想能源。正是由于可控核聚变能的资源充裕和环境友好等优点，被公认为是解决未来全球能源危机、推动人类社会可持续发展行之有效的技术手段之一。而全超导磁约束热核聚变能发电技术，是人类未来可持续发展的战略能源技术选择之一。大型超导磁体是全超导磁约束聚变堆的关键技术，其主要功能是将超高温等离子体约束在磁容器中，实现受控核聚变反应。在ITER设计中，高场磁体（TF，CS）采用Nb3Sn超导材料。然而，未来示范堆和商用堆，其高的运行参数超过目前ITER参数的1.5倍以上，大的洛仑兹力产生的应力/应变导致Nb3Sn超导材料性能衰减问题变得尤为严重。而具有高应力应变容许特性的Nb3Al超导材料是未来磁约束聚变堆，尤其是示范堆阶段高场磁体的理想选择。
在制作Nb3Al磁体过程中，由于Nb3Al超导线材的长度总是有限，必须用超导接头连接以满足大型磁体对长度的需要；在高场稳定的超导磁体里，为了使磁体在持续电流模式下运行，更加需要制备超导接头以降低磁 体闭环时的损耗，因此制作低电阻Nb3Al超导接头是保证Nb3Al在磁约束聚变堆中发挥作用必须解决的关键技术问题。
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、超声焊接及电阻钎焊工艺。有的工艺过程复杂难以控制，且制作周期较长，有的工艺制作的超导接头电阻较高，难以降低磁体的发热量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Nb3Al超导接头，解决现有Nb3Al超导接头技术存在的超导接头电阻较高的问题。
本发明的另一个目的在于提供上述超导接头的制作方法。
本发明的技术方案是，Nb3Al超导接头，包括两根多芯Nb3Al线材，第一多芯Nb3Al线材的一端与第二多芯Nb3Al线材的一端相连接，第一多芯Nb3Al线材的另一端与第二多芯Nb3Al线材的另一端绕制成磁体线圈并连接。
本发明的特点还在于：
还包括接头管，接头管的一端设有接头端盖；第一多芯Nb3Al线材与第二多芯Nb3Al线材相连接的一端设置在接头管中部。
上述Nb3Al超导接头的制作方法，首先将第一多芯Nb3Al线材与第二多芯Nb3Al线材的一端绕制成磁体线圈并连接，然后将第一多芯Nb3Al线材与第二多芯Nb3Al线材的另一端头部分清洗干净后腐蚀掉表面的铜，直到超导芯丝完全露出，并灌封于接头管中。
本发明的特点在于：
具体包括以下步骤：
步骤1，将第一多芯Nb3Al线材与第二多芯Nb3Al线材的一端绕制成磁体线圈并连接，第一多芯Nb3Al线材与第二多芯Nb3Al线材的另一端头部分用丙酮清洗干净；
步骤2，将步骤1清洗后的第一多芯Nb3Al线材和第二多芯Nb3Al线材的端头部分，分别在体积浓度为30%的硝酸溶液中浸泡腐蚀，腐蚀掉端头5cm-10cm表面的铜，直到两根线材中的超导芯丝完全露出，并使用放置蒸馏水的超声波清洗机进行清洗；
步骤3，将步骤2得到的第一多芯Nb3Al线材与第二多芯Nb3Al线材的超导芯丝分别插入接头管端部的圆孔内，将Nb(Al)ss过饱和固溶体粉末装入接头管内并压实，将接头端盖盖在接头管的开口处，对组装后的接头管与接头端盖的缝隙进行焊接，将压紧线圈安装在接头管外，完成接头的组装；
步骤4，采用脉冲电源对压紧线圈进行供电。此时，脉冲电流在压紧线圈产生较大的均匀的电磁力，将组装完成的接头内的过饱和固溶体Nb(Al)ss压紧，完成此操作后去除压紧线圈，即得到超导接头。
步骤5，对步骤4完成的超导接头进行热处理，热处理温度为750～950℃，热处理时间为10～50h。
Nb(Al)ss过饱和固溶体的制作方法为，以Nb和Al1-xNbx中间合金为原料，其中Nb与Al的原子比为3：l，将其熔化后混合均匀，缓慢冷却至1900～2100℃，获得Nb-Al固溶体；然后将该固溶体放入镓液中淬火，获得Nb(Al)ss过饱和固溶体；利用碾压和高能球磨的方法，将Nb(Al)ss过饱和固溶体加工成粉末。
Al1-xNbx中间合金是由Nb和Al两组元素组成，且x=0.251～0.749的合金。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明Nb3Al超导接头接触电阻低，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。
2、本发明Nb3Al超导接头的制作方法工艺简单，制作周期短。
附图说明
图1是本发明Nb3Al超导接头结构示意图；
图2是本发明Nb3Al超导接头的接头端盖结构示意图；
图3是图2的侧视图；
图4是本发明Nb3Al超导接头的接头管结构示意图；
图5是图4的侧视图；
图6是本发明Nb3Al超导接头制备方法中压紧线圈的结构示意图；
图7是本发明Nb3Al超导接头制备方法中装管示意图。
图中，1.第一多芯Nb3Al线材，2.第二多芯Nb3Al线材，3.接头管，4.接头端盖，5.压紧线圈。
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。
Nb3Al超导接头的结构，如图1所示，由第一多芯Nb3Al线材1、第二多芯Nb3Al线材2接头管3组成。
第一多芯Nb3Al线材1的一端与第二多芯Nb3Al线材2的一端相连，第一 多芯Nb3Al线材1的另一端与第二多芯Nb3Al线材2的另一端绕制成磁体线圈并连接。
接头管3、接头端盖4由剩余电阻率（RRR值）大于150的无氧铜制作。
第一多芯Nb3Al线材1与第二多芯Nb3Al线材2相连接的一端设置在接头管中部。接头端盖4设置在接头管3的一端，接头管3外部设置有压紧线圈5。
本发明Nb3Al超导接头的制作方法，按照以下步骤进行：
步骤1清洗并制作工装
先取第一多芯Nb3Al线材1与第二多芯Nb3Al线材2，将第一多芯Nb3Al线材1与第二多芯Nb3Al线材2的一端绕制成磁体线圈并连接，第一多芯Nb3Al线材1与第二多芯Nb3Al线材2的另一端头部分用丙酮清洗干净；
用RRR值大于150的无氧铜制作接头管3与接头端盖4，并用无水乙醇清洗干净；接头管的的结构如图4、图5所示，接头端盖的结构如图2、图3所示，制作接头的压紧线圈5的结构如图6所示。
步骤2腐蚀线材表面Cu
将步骤1清洗后的第一多芯Nb3Al线材1与第二多芯Nb3Al线材2的端头部分，分别在30%体积浓度的硝酸溶液中浸泡腐蚀，腐蚀掉端头5cm-10cm表面的铜，直到第一多芯Nb3Al线材4与第二多芯Nb3Al线材5中的超导芯丝完全露出，此时使用放置蒸馏水的超声波清洗机清洗3遍第一多芯Nb3Al线材1与第二多芯Nb3Al线材2。
步骤3装管
将步骤2得到的第一多芯Nb3Al线材1与第二多芯Nb3Al线材2分别插入接头管端部的圆孔内，将Nb(Al)ss过饱和固溶体装入接头管3内并压实，将接头端盖3盖在接头管3的开口处，对组装后的接头管3与接头端盖4的缝隙进行焊接，将压紧线圈5安装在接头管外，这样完成了接头的组装。
Nb(Al)ss过饱和固溶体的制作方法为：以Nb和Al1-xNbx中间合金为原料，原料中Nb与Al的原子比为3：l，将其熔化后混合均匀，缓慢冷却至1900～2100℃，获得Nb-Al固溶体；然后将该固溶体放入镓液中淬火，获得Nb(Al)ss过饱和固溶体；利用碾压和高能球磨的方法，将所述Nb(Al)ss过饱和固溶体加工成粉末；所述的Al1-xNbx中间合金是由Nb和Al两组元素组成，且x=0.251～0.749的合金。
步骤4压紧焊接
采用脉冲电源对压紧线圈5进行供电。此时，脉冲电流在压紧线圈5产生较大的均匀的电磁力，将组装完成的接头内的过饱和固溶体Nb(Al)ss压紧，完成此操作后去除压紧线圈5，即得到本发明的低电阻超导磁体内接头，结构如图1所示。
步骤5热处理
对完成以上步骤接头的绕组进行热处理，热处理温度为750～950℃，热处理时间为10～50h，最终完成Nb3Al超导接头的制作。
本发明的制作的超导接头，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2.7×10-10Ω。这样，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。
本发明超导接头的制作方法，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。同时，通过本发明制作的超导接头在背景场中仍表现出优越的性能。
Claims (3)
1.Nb3Al超导接头的制作方法，其特征在于，Nb3Al超导接头的结构由第一多芯Nb3Al线材(1)、第二多芯Nb3Al线材(2)、接头管(3)组成，第一多芯Nb3Al线材(1)的一端与第二多芯Nb3Al线材(2)的一端相连，第一多芯Nb3Al线材(1)的另一端与第二多芯Nb3Al线材(2)的另一端绕制成磁体线圈并连接，第一多芯Nb3Al线材(1)与第二多芯Nb3Al线材(2)相连接的一端设置在接头管中部，接头端盖(4)设置在接头管(3)的一端，接头管(3)外部设置有压紧线圈(5)；
首先将所述第一多芯Nb3Al线材(1)与第二多芯Nb3Al线材(2)的一端绕制成磁体线圈并连接，然后将第一多芯Nb3Al线材(1)与第二多芯Nb3Al线材(2)的另一端头部分清洗干净后腐蚀掉表面的铜，直到超导芯丝完全露出，并灌封于所述接头管(3)中，具体包括以下步骤：
步骤1，将第一多芯Nb3Al线材(1)与第二多芯Nb3Al线材(2)的一端绕制成磁体线圈并连接，第一多芯Nb3Al线材(1)与第二多芯Nb3Al线材(2)的另一端头部分用丙酮清洗干净；
步骤2，将步骤1清洗后的第一多芯Nb3Al线材(1)和第二多芯Nb3Al线材(2)的端头部分，分别在体积浓度为30％的硝酸溶液中浸泡腐蚀，腐蚀掉端头5cm-10cm表面的铜，直到两根线材中的超导芯丝完全露出，并使用放置蒸馏水的超声波清洗机进行清洗；
步骤3，将步骤2得到的第一多芯Nb3Al线材(1)与第二多芯Nb3Al线材(2)的超导芯丝分别插入接头管(3)端部的圆孔内，将Nb(Al)ss过饱和固溶体粉末装入接头管(3)内并压实，将接头端盖(4)盖在接头管(3)的开口处，对组装后的接头管(3)与接头端盖(4)的缝隙进行焊接，将压紧线圈(5)安装在接头管(3)外，完成接头的组装；
步骤4，采用脉冲电源对压紧线圈(5)进行供电；此时，脉冲电流在压紧线圈(5)产生较大的均匀的电磁力，将组装完成的接头内的过饱和固溶体Nb(Al)ss压紧，完成此操作后去除压紧线圈(5)，即得到超导接头；
步骤5，对步骤4完成的超导接头进行热处理，热处理温度为750～950℃，热处理时间为10～50h。
2.如权利要求1所述的Nb3Al超导接头的制作方法，其特征在于，所述Nb(Al)ss过饱和固溶体的制作方法为，以Nb和Al1-xNbx中间合金为原料，其中Nb与Al的原子比为3：l，将其熔化后混合均匀，缓慢冷却至1900～2100℃，获得Nb-Al固溶体；然后将该固溶体放入镓液中淬火，获得Nb(Al)ss过饱和固溶体；利用碾压和高能球磨的方法，将Nb(Al)ss过饱和固溶体加工成粉末。
3.如权利要求2所述的Nb3Al超导接头的制作方法，其特征在于，Al1-xNbx中间合金是由Nb和Al两组元素组成，且x＝0.251～0.749的合金。
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