CN104157366B - 内封测量光纤的超导带材及其制备方法、装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种内封测量光纤的超导带材，包括上保护层、下保护层、超导带层以及测量光纤，所述超导带层和测量光纤封装在上保护层和下保护层之间，所述测量光纤沿长度方向设置。所述测量光纤采用若干长光纤连续地封装在上保护层和下保护层之间，或，多根短光纤间断地封装在上保护层和下保护层之间。同时还提供了上述超导带材的制备方法和制备装置，本发明可以对超导线圈内部所有位置的温度进行实时测量，无论局部失超的发生在何处，都可以及时发现；大大简化了超导线圈的绕制工艺，提高线圈了紧密性和光滑性，这对那些对磁场均匀度要求很高的高性能磁体意义非凡，极大地提高设备性能。

Description

内封测量光纤的超导带材及其制备方法、装置

技术领域

本发明涉及超导材料研究技术领域，具体地，涉及一种内封测量光纤的超导带材及其制备方法、装置。

背景技术

高温超导带材是利用真空镀膜技术，通过多层叠压封装的方法生产出的一种涂层超导体。超导带材的厚度一般为50～100微米，其典型结构如图1所示：超导层的厚度通常为1～3微米，通过真空镀膜技术镀在厚约50微米的基带上；为了对其进行保护，通常在将超导带材封装在厚约100微米的不锈钢带或铜带保护层中，其间用铅锡焊接，从而形成工程应用的成品超导带材；如此可以有效研究和提高超导带材的热稳定性和机械性能，这是其从实验室走向工业应用的关键。

目前，在应用超导领域的科学研究和工业生产中，带材的热稳定性和机械性能是研究者和工程师们最关心的问题之一。其中，超导带材的热稳定性主要体现在“失超”过程。“失超”指的是超导材料由于温度升高或承载超临界值的电流而失去超导态的过程。超导过流失超过程非常迅速，且通常伴随大量热量产生。如处理不慎，尤其对“单薄”的超导带材而言，将对超导材料造成损坏。因此，对超导带材失超机理的研究是全面掌握超导带材性质的一个重要环节。充分掌握超导带材失超时电流和温度的演变过程将为超导应用设备的优化设计、运行监测和失超保护提供重要信息。超导带材的机械性能主要体现在高磁场超导磁体中。强磁场、大电流会使带材承受很大的电磁应力，从而有可能对带材造成损伤。因此，超导带材机械性能的研究和改进对磁体设备的设计制造至关重要，全面掌握和监测磁体各个部分带材的应力应变信息对磁体的运行保护非常关键。所以，实现对以温度和应力应变分布为代表的超导带材环境物理场的全方位的实时测量，无论对科学研究还是工业生产都是非常有意义的。

在以往的科学研究和工业生产中，测量单根超导带材和多根超导带材的聚集体(如超导线圈和超导电缆)的内部温度和应力应变一直是困扰科研人员和工程师们的难题。以超导线圈为例，它是由超导带材按照一定的规律紧密缠绕而成，是超导磁体、超导电机、超导变压器、超导储能、超导粒子加速器等主要超导设备的基本单元和核心部件。失超保护一直是超导线圈研究、设计和制造的核心内容之一。“失超”指的是超导材料由于温度升高或承载超临界值的电流而失去超导态的过程。超导失超过程非常迅速，且通常伴随大量热量产生，所以，超导失超传播的过程就是一个温度传播的过程，如处理不慎，尤其对“单薄”的超导带材而言，将对超导材料造成严重的不可恢复的损坏。考虑到超导线圈造价高昂，所以，一个可靠的失超保护系统对超导线圈的安全运行至关重要。失超通常在线圈一个或数个局部位置点发生，而后迅速向周围扩散。失超起始点的出现位置和时刻带有很强的随机性和不可预知性，极早的发现可使失超保护系统及时动作从而对超导线圈进行有效的保护；实时准确的定位失超发生的位置，对于失超传播过程的研究和失超保护系统的设计和改进至关重要。对失超现象的发现主要是通过实时监测超导线圈的温度来实现的。对于温度的测量，传统的方法多采用热电偶的方式，需要将热电偶预埋到超导线圈内部。这样，一来预埋数量有限，无法连续测量线圈内部任意位置的温度，更无法对失超传播过程进行准确的定位跟踪，如果失超发生的起始位置没有预埋热电偶，亦无法及时发现失超；二来热电偶具有一定厚度，会影响线圈绕制的平滑度，不小心还会损坏超导带材，且预埋热电偶数量的增加，会使超导线圈绕制的工艺复杂度和难度急剧增加。对于超导带材应力应变的测量，传统的方法是通过贴应变片来实现的，而对于超导线圈内部的应力应变，传统的方法不能对其进行有效的测量。所以，通常的线圈设计制造中都没有测量应力应变的内容，但是如果能够方便有效的对线圈内部的应力应变进行实时测量，将极大的促进对线圈的稳定安全可靠运行。

光纤传感技术是伴随光导纤维和光纤信息技术发展的一种新的传感技术。光纤既作传感元件，又作传输元件，可以在整个光纤长度上对光纤分布的环境参数进行连续测量，同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。当前，利用光纤进行温度和材料应力应变的测量已经是一种比较成熟的技术，相比于传统的测量技术，该技术具有不受电磁干扰亦不污染所处空间电磁环境的特点，同时还具有耐腐蚀、电绝缘、无源实时监测、体积小、重量轻、可绕曲、灵敏度高等优点。

经过检索发现，中国专利申请号：201020528888.3，专利名称：光电复合芯低温绝缘超导电缆，公开了一种光电复合芯低温绝缘超导电缆，其金属支架上设有一测温光纤，所述测温光纤位于一金属保护套内。该光电复合芯低温绝缘超导电缆通过设置在金属支架上的测温光纤对超导电缆温度进行分布式测量，这样通过监测到的温度就能及时发现抄到电缆故障点位置，防止抄到电缆由于温度升高产生气泡导致击穿。另外由于超导道题的临界电流与超导导体温度有关，因此通过监视超导电缆温度可以很好的监视超导电缆的运行状态，计算超导电缆的载流能力，保证超导电缆正常工作。该专利是将测温光纤置于一个分布式的金属保护套内，从而实现对整个电缆的温度分布进行监测，而无法对超导带材的环境物理场进行检测。

中国专利申请号：201180005090.8，专利名称：超导线材的常导转变的检测方法，涉及超导线材的常导转变的检测方法，是具备基材、具有77K以上的临界温度的超导层以及金属稳定层的超导线材的常导转变的检测方法，其中，将纤芯上沿着其长度方向形成有多个光纤拉格光栅的光纤粘接固定于所述超导线材；预先测定所述光纤布拉格光栅的布拉格波长相对于所述超导线材的温度的变化，根据所述布拉格波长的变化求出用于计测所述超导线材的温度的关系式；利用所述关系式求出所述超导线材发生常导转变的前后的所述多个光纤布拉格光栅的温度变化；基于所述多个光纤布拉格光栅的温度上升开始的时间和所述多个光纤布拉格光栅的间隔，来计算所述常导转变的传播速度。该专利是超导带材的用户将测量光纤粘接于已经成品的超导带材的外表面，从而进行常导转变的检测，无法实现对超导带材的环境物理场进行检测。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

本发明为了实现对超导设备中超导带材所处整个环境物理场信息(如温度和应力应变)的全方位的实时的测量，提出了一种内封测量光纤的超导带材及其制备方法、装置。该超导带材将测量光纤和超导带材封装在超导带材保护层内的新型超导带材。该新型超导带材内封测量光纤，基于这种结构超导带材的超导设备，能够对超导带材的每个部位所处环境物理场进行方便而有效的全方位的实时测量。

本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种内封测量光纤的超导带材，包括上保护层、下保护层、超导带层以及测量光纤，所述超导带层和测量光纤封装在上保护层和下保护层之间，所述测量光纤沿长度方向设置。

优选地，所述测量光纤采用如下任一种设置方式：

-测量光纤包括第一光纤，若干第一光纤连续地封装在上保护层和下保护层之间；

-测量光纤包括第二光纤，多根第二光纤间断地封装在上保护层和下保护层之间。

优选地，所述上保护层和下保护层的外表面设有镀锡焊层。

优选地，所述上保护层和下保护层采用铜或不锈钢。

优选地，所述测量光纤的尾端通过数据采集卡与外部数据处理器相连接。

根据本发明的第二个方面，提供了一种内封测量光纤的超导带材的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，将上保护层、超导带层、测量光纤以及下保护层依照位置关系放置，形成超导带材原料带；

步骤2，将步骤1中得到的超导带材原料带输入装有熔融状态焊锡的制备装置中，此时，超导带材原料带的外表面形成镀锡焊层；

步骤3，外表面形成镀锡焊层的超导带材原料带沿长度方向输出制备装置，形成内封测量光纤的超导带材。

根据本发明的第三个方面，提供了一种内封测量光纤的超导带材的制备装置，包括用于盛放熔融状态焊锡的焊锡槽和用于超导带材挤压成型的扎辊组，所述扎辊组设置于焊锡槽内部。

优选地，所述扎辊组包括两个轧辊，两个轧辊之间设有用于超导带材原料带挤压通过的隙缝。

本发明基于光纤测量技术的优势，将测量光纤和超导带材封装在保护层内部。如此，则可用光纤测量的方法来实现对超导带材及其聚合体的温度、应力应变分布等环境物理场进行全方位的实时测量。单根光纤的直径通常为50微米，而超导带材的厚度为50～100微米，不锈钢或铜保护层的厚度通常为50～100微米，工程用成品超导带材的整体厚度通常为200～300微米。因此，可以将测量光纤和超导带材封装在保护层内部，且几乎不对带材的外部几何结构产生影响或改变。这样通过线圈尾端与光纤相连的传感器配合测温和定位算法，就可以实时测出超导带材延长度方向各处的温度和应力应变分布，如图2和图3所示。

与现有技术相比，本发明具有如下技术特点：

传统结构的超导带材，对其环境物理场的测量大多采用在典型部位置入热电偶(测温度)、应变片(测应变)之类的方法来实现。以超导线圈温度场的测量为例，传统的测量方法，一来预埋数量有限，无法连续测量线圈内部任意位置的温度；二来热电偶具有一定厚度，会影响线圈绕制的平滑度，不小心还会损坏超导带材。而将测温光纤置于一个分布式的金属保护套内的现有技术，只能实现对整个电缆的温度分布进行监测，而无法对超导带材的环境物理场进行检测。将测量光纤粘接于已经成品的超导带材的外表面的现有技术，其目的是进行常导转变的检测，亦无法实现对超导带材的环境物理场进行检测。

本发明提出了一种内封测量光纤的超导带材及其制备方法、装置，基于这种内封测量光纤的超导带材的超导设备，辅之以与光纤相连的传感器配合测量和定位算法，可以有效、准确的对超导带材每个位置的环境物理场进行全方位的实时测量。利用这种结构的超导带材，对超导带材的“失超”传播过程进行全方位的实时监测，从而深揭示超导带材的基本特性和超导的机理。在工程应用中，基于这种内封测量光纤的超导带材的超导设备，可以方便而有效的对超导带材聚合体每一个点的环境物理场进行实时监测，且几乎不会对超导带材和设备本身产生影响。

基于本发明的超导线圈，可以非常方便有效的对其内部的温度分布进行全方位的实时测量，从而对其失超过程进行全方位的实时监测。这样就避免了传统方法的弊端：一是，可以对超导线圈内部所有位置的温度进行实时测量，无论局部失超的发生在何处，都可以及时发现；二是，大大简化了超导线圈的绕制工艺，提高线圈了紧密性和光滑性，这对那些对磁场均匀度要求很高的高性能磁体(如MRI)意义非凡，会极大地提高设备性能。

本发明将光纤预埋封装于超导带材内部，生产出含内封光纤的超导带材，基于这种带材的所有超导产品，如超导线圈，超导电缆，超导限流器等，均可以方便而有效的对超导带材的环境物理场(温度，应力应变等)进行全方位的实时测量。

本发明将光纤预埋封装与超到带材的保护层内部，形成具有内封光纤的独特的超导带材产品，以及实现此产品非封装焊接工艺。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为超导带材结构示意图；

图2为基于光纤的超导带材实验测量系统结构示意图；

图3为内封测温光纤的超导带材结构示意图；

图4为超导带材连续化封装设备结构示意图；

图5为超导线圈的结构示意图；

图6为脉冲加热功率示意图；

图7为热电偶测量到的温度分布、加热A点示意图；

图8为光纤测温系统测量到的温度分布、加热A点示意图；

图9为热电偶测量到的温度分布、加热B点示意图；

图10为光纤测温系统测量到的温度分布、加热B点示意图；

图中：

100为保护层，200为焊接层，300为超导层；

1为上保护层，2为下保护层，3为超导带层，4为测量光线，5为内封测量光纤的超导带材，6为内封测量光纤的超导带材的制备装置。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

请同时参阅图2至图10。

本实施例提供了一种内封测量光纤的超导带材，包括上保护层、下保护层、超导带层以及测量光纤，所述超导带层和测量光纤封装在上保护层和下保护层之间，所述测量光纤沿长度方向设置。

进一步地，所述测量光纤采用如下任一种设置方式：

-测量光纤包括第一光纤，若干第一光纤连续地封装在上保护层和下保护层之间；第一光纤为较长的光纤，例如，第一光纤的长度等于或者大于上保护层的长度(长光纤)；

-测量光纤包括第二光纤，多根第二光纤间断地封装在上保护层和下保护层之间。第二光纤为较短的光纤，例如，第二光纤的长度小于上保护层的长度的一半(短光纤)；

进一步地，所述上保护层和下保护层的外表面设有镀锡焊层。

进一步地，所述上保护层和下保护层采用铜或不锈钢。

进一步地，所述测量光纤的尾端通过数据采集卡与外部数据处理器相连接。

本实施例提供的内封测量光纤的超导带材，其制备方法，包括如下步骤：

步骤1，将上保护层、超导带层、测量光纤以及下保护层依照位置关系放置，形成超导带材原料带；

步骤2，将步骤1中得到的超导带材原料带输入装有熔融状态焊锡的制备装置中，此时，超导带材原料带的外表面形成镀锡焊层；

步骤3，外表面形成镀锡焊层的超导带材原料带沿长度方向输出制备装置，形成内封测量光纤的超导带材。

本实施例提供的内封测量光纤的超导带材，其制备装置，包括用于盛放熔融状态焊锡的焊锡槽和用于超导带材挤压成型的扎辊组，所述扎辊组设置于焊锡槽内部。

进一步地，所述扎辊组包括两个轧辊，两个轧辊之间设有用于超导带材原料带挤压通过的隙缝。

具体为：

本实施例为了实现对超导带材及超导带材聚合体上空间各个位置温度、应力应变等环境物理场实现全方位的实时测量，将测量光纤和超导带材内封于保护层中。

内容一：将超导带材和测量光纤连续化内封于保护层内的产品结构

如图3所示，将测量光纤和超导带内封于保护层中，从而形成能够对环境物理场进行方便而有效的全方位实时测量的超导带材产品。

本实施例提供的内封测量光纤的超导带材，其主要特征是将测量环境物理场的光纤和超导带一起封装于保护层中。光纤在其中的空间位置、数量、测量的物理场量可以根据具体的工程引用做出调整，也可以把几根不同用途的光纤(如测量不同的环境物理场量)一起内封于同一根超导带材中，即所有在这方面做出的调整和改变都在本专利的保护范围之内。根据具体的应用需求，可以把相对较长的测量光纤连续化的内封于超导带材的保护层内，也可以把几根较短的光纤非连续的封装于超导带材的保护层内，即在长度方向对封装光纤连续性和连接方式的改变和调整都在本专利的保护范围之内。

内容二：将超导带和光纤一起封装于保护层内的方法及设备。

为了实现内容一所提出的内封测量光纤的超导带材，本实施例还提出了如图4所示的封装焊接制备方法及制备装置。首先将超导带材、测量光纤和保护层带材(材料多为铜和不锈钢)通过熔融的焊锡槽，然后通过扎辊挤压形成三层一体的镀锡焊带，从而实现把光纤和超导带材内封于保护层内的超导带材结构。

下面结合具体实例对本实施例做进一步阐述。

为了展示本实施例提供的内封测量光纤的超导带材在工程应用中巨大优势，本例用内封测量光纤的超导带材绕制了一个单饼的超导线圈，同时按照传统测温的方法在若干典型位置埋入热电偶，然后，分别用光纤测温和预埋热电偶的方法对其进行温度的测量，着重对比局部失超过程中两个测量系统的温度监测效果。

超导线圈的主要结构参数如表1所示，其结构模型如图5所示。所用超导带材的主要参数如表1所示。光纤测温的方法，可以对整个线圈275m长带材的温度进行全方位的实时监测。与此同时，沿线圈角度方向均匀埋入8个热电偶，按传统方法进行温度测量，其位置和编号如图5所示。

表1

待使线圈稳定工作于77K，在线圈上的某点用加热片进行局部加热，从而模拟局部失超。然后，分别用两个不同的温度测量系统进行温度的实时测量，记录数据，并对比测量结果。如图5所示，本例分别选了A、B两个不同的位置进行局部加热，以比较不同位置发生局部失超时两种测量系统的测量效果。加热片上的脉冲功率如图6所示.加热片从第3s开始对超导线圈进行局部加热，至第5秒时停止。

实验过程如下：

首先，对A点进行局部加热。图7显示了预埋热电偶测量到温度数据，从图中可以看出，至加热片作用后第5s热电偶才测量到了明显的温度变化2K。图8显示了光纤测量到的温度数据。从图中可以看到光纤测量系统对整个线圈的温度分布进行了全方位的测量，且其在加热片作用后0.2s就测量到了明显的温度变化(3K)，在加热功率结束作用的时刻(t＝5s)，光纤传感器还测量到了线圈上出现的最高温度125K，而此时由于预埋热电偶的位置离加热点较远，尚未测量到明显的温度变化。

然后，待整个线圈的温度恢复到77K且稳定后，改变加热的位置至B点，重复以上的实验。两个测量系统的测量数据分别如图9、图10所示。从图中可以看出，此时离加热点最近的5号热电偶在加热片开始作用0.2s后即测量了明显的温度变化(3K)。光纤测量系统的测量结果同上。

综上所述，光纤测量系统的优势是能够对整个线圈的温度分布进行全方位的实施测量，所以无论局部失超发生在何处，光纤测量都能迅速捕捉到温度变化。而传统的预埋热电偶的测温方法，只能对热电偶附件的温度进行有效的实时测量，当局部失超的位置离最近的热点偶较远时，热电偶不能及时发现局部失超。考虑到工程实践中，超导线圈局部失超位置的随机性，本发明提出的带有内封测量光纤的超导带材在拥有无可比拟的巨大优势，它极大的提高了超导线圈的工作的安全性和稳定性，同时由于无需预埋热电偶，也极大的降低了线圈绕制的工艺难度。所以，本发明必将极大的改变当前超导带材工程应用的格局，并拥有巨大的市场潜力商业前景。

在本实施例中：

环境物理场：指超导带材所处空间(包括自身所占据的空间)中所有存在且可测量的场量，包括电场、磁场、温度场、应力应变等。

超导带材聚集体：在具体的工业应用中，超导带材通常不是作为单根存在而被应用的，而是很多超导带材按照一定规律非常密集的排布于某一相对狭小空间中，带材之间会在磁场、温度、应力应变等环境物理场上相互影响。本专利中将这种空间上相互临近以至于对此彼此环境无力偿还产生影响的多根超导带材的组合体称为“超导带材聚集体”。例如超导线圈和磁体通常是用单根和多根超导带材按某一几何形状(如圆形、跑道型、马鞍形等)紧密缠绕而成，超导电缆是多根带材按一定规律平行排布而成。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种内封测量光纤的超导带材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将上保护层、超导带层、测量光纤以及下保护层依照位置关系放置，形成超导带材原料带；

步骤2，将步骤1中得到的超导带材原料带输入装有熔融状态焊锡的制备装置中，此时，超导带材原料带的外表面形成镀锡焊层；

步骤3，外表面形成镀锡焊层的超导带材原料带沿长度方向输出制备装置，形成内封测量光纤的超导带材；

所述内封测量光纤的超导带材，包括上保护层、下保护层、超导带层以及测量光纤，所述超导带层和测量光纤封装在上保护层和下保护层之间，所述测量光纤沿长度方向设置；

所述测量光纤采用如下任一种设置方式：

-测量光纤包括第一光纤，若干第一光纤连续地封装在上保护层和下保护层之间；

-测量光纤包括第二光纤，多根第二光纤间断地封装在上保护层和下保护层之间。

2.根据权利要求1所述的内封测量光纤的超导带材的制备方法，其特征在于，所述上保护层和下保护层的外表面设有镀锡焊层。

3.根据权利要求1所述的内封测量光纤的超导带材的制备方法，其特征在于，所述上保护层和下保护层采用铜或不锈钢。

4.根据权利要求1所述的内封测量光纤的超导带材的制备方法，其特征在于，所述测量光纤的尾端通过数据采集卡与外部数据处理器相连接。

5.一种使用权利要求1所述内封测量光纤的超导带材的制备方法的装置，其特征在于，包括用于盛放熔融状态焊锡的焊锡槽和用于超导带材挤压成型的扎辊组，所述扎辊组设置于焊锡槽内部。

6.根据权利要求5所述的内封测量光纤的超导带材的制备装置，其特征在于，所述扎辊组包括两个轧辊，两个轧辊之间设有用于超导带材原料带挤压通过的隙缝。