CN104914331A - 高温超导带材临界电流与n值指数的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温超导带材临界电流与n值指数的测量装置及测量方法，该装置包含液氮槽、加热器、连续传动装置、四引线组件、磁感应组件以及外部的步进电机、控制设备和采集设备。本发明通过可以倒带的连续传动装置，采用按压式四引线法，滑动探头位置调节要测量的每段带材的长度，逐段测量每段长度内的临界电流与n值指数，整带测完后再匀速倒带，用磁感应法得到整带载流能力变化曲线，将两种方法的结果记录在一张图上，可以从该图上直观准确地看出带材临界电流的细节情况，甄别有无坏点。本发明结构合理，使用方便，功能多样；测量温和，结果精确、全面、直观，不损伤带材，测试完的带材还可以正常使用。

Description

高温超导带材临界电流与n值指数的测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于超导电工领域，特别涉及一种高温超导带材临界电流与n值指数的测量装置及测量方法。

背景技术

超导磁体技术近年来发展迅速。由于受到超导材料临界磁场的限制，20T以下的磁体一般采用低温超导材料制造，而20T以上的强磁场超导磁体，就需要用到高温超导材料，其中主要就是一代和二代高温超导带材。一代带材弹性较差，要避免大的弯折；二代带材为涂层导体，反复弯折容易分层，导致性能不可逆下降。两者都比较脆弱，测量其性能时需多加小心。

绕制磁体前需要检测具体备选的带材的特性，甄别优劣，找出短板所在，选择达到要求的带材绕制，并优化磁体结构，把带材短板放在磁体中相对安全的位置。

带材在失超态与正常态转变时其电压与电流有幂指数的拟合关系，这个指数叫n值指数。临界电流与n值指数是带材绕制前必须要检测的两个重要指标。其中临界电流是反映带材载流能力的参数，n值指数是反映带材由超导态转换到正常态的快慢的指标，关系到磁体失超后的安全性。传统的四引线测量方法需要将带材与引线焊接，焊点部分的带材测试完便不能再继续使用；而只测短样所得结果又无法了解整个带材的均匀性、有无缺陷等信息。非接触法是一种新型的检测方法，通过磁感应的方法经计算间接地得到临界电流或者n值指数，这种方法能了解带材的均匀性，检测带材有无缺陷，但是结果不够精确，而且每个装置临界电流和n值指数只能测其一，功能单一。

磁体研制领域需要一种精确、全面、温和检测高温超导长带性能的装置和方法。

发明内容

本发明提供的一种高温超导带材临界电流与n值指数的测量装置及测量方法，尤其适合用于绕制比较精密的超导磁体的带材的临界电流与n值指数的测量；通过可以倒带的连续传动装置，采用按压式四引线法，滑动探头位置调节要测量的每段带材的长度，逐段测量每段长度内的临界电流与n值指数，整带测完后再匀速倒带，用磁感应法得到整带载流能力变化曲线，将两种方法的结果记录在一张图上。本装置结构合理，使用方便，功能多样，测量温和，结果精确、全面、直观，不损伤带材，测试完的带材还可以正常使用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高温超导带材临界电流与n值指数的测量装置，其特征在于，包括有液氮槽（1）、加热器（2）、连续传动装置、四引线组件、磁感应组件；所述的连续传动装置包括有放线盘（3）、收线盘（4）、编码器（5）、（6）、引导定滑轮（7）、（8）；放线盘（3）和收线盘（4）置于整体测量装置的上方中部位置，编码器（5）、（6）位于放线盘（3）和收线盘（4）稍下方的两边，引导定滑轮（7）、（8）位于编码器（5）、（6）的再下方的中间位置，液氮槽（1）置于最下方；所述的四引线组件包含2个电压探头（9）、2个电流探头（10）、滑轨（11）、2个滑块（12）、平行双滑杆（13）和支架（14）；支架（14）设置在编码器（5）、（6）之间，平行双滑杆（13）设置在支架（14）上，电压探头（9）和电流探头（10）设置在平行双滑杆上，并可以在平行双滑杆（13）上自由滑动，以调节要测量的每段超导带的长度；液氮槽（1）底部设有滑轨（11），滑轨（11）上设有可在滑轨上滑动的两个滑块（12）；所述的磁感应组件包含一个励磁模块（15）和一个探测模块（16），均置于液氮槽（1）中；带材通过放线盘（3），依次经过编码器（5）、引导定滑轮（7）、探测模块（16）、励磁模块（15）、引导定滑轮（8）、编码器（6）到达收线盘（4）。

所述的高温超导带材临界电流与n值指数的测试装置，其特征在于，所述的电流探头（10）前部横向伸出铜导板连接外部电流源，电压探头（9）前部伸出引线连接外部电压表，电压探头尖端做成狭长矩形结构，以提高按压式四引线法测量的分辨率。

所述的高温超导带材临界电流与n值指数的测试装置，其特征在于，所述的滑块（12）可在滑轨（11）上自由滑动，以调节要测量的每段超导带的长度。在四引线法测试时，滑动滑块至两边电压探头（9）和电流探头（10）的下方，作为按压式四引线法的基台。

所述的高温超导带材临界电流与n值指数的测试装置，其特征在于，所述的励磁模块（15）和探测模块（16）都被环氧块包裹固定，环氧块设置在滑轨（11）上，并可以在滑轨（11）上移动，环氧块中间开孔以使带材能够穿过。

所述的高温超导带材临界电流与n值指数的测试装置，其特征在于，所述的连续传动装置还连接有外部设备双步进电机（17），分别连在放线盘（3）和收线盘（4）的轴上，使整个连续传动装置可以实现倒带操作。

所述的高温超导带材临界电流与n值指数的测试装置，其特征在于，所述的引导定滑轮使用低温轴承。

一种高温超导带材临界电流与n值指数的测量方法，其特征在于，采用按压式四引线法逐段测量每段长度内的临界电流与n值指数，整带测完后再倒带，用磁感应法得到整带载流能力变化曲线，以横轴为带材位置坐标，将两种方法的结果记录在一张图上；具体包括以下具体步骤：

步骤1、确定测量长度，通过滑杆调节两个电压探头（9）距离为测量长度，调节电流探头（10）至电压探头（9）两边的合适位置，把滑块（12）移至四个探头的正下方；

步骤2、把超导带材（18）两端点焊尺寸相同的不锈钢带，装到连续传动装置上，使带材通过放线盘（3），依次经过编码器（5）、引导定滑轮（7）、探测模块（16）、励磁模块（15）、引导定滑轮（8）、编码器（6）到达收线盘（4）；

步骤3、往液氮槽（1）里注入液氮至液面高于带材一定高度；

步骤4、开启步进电机（17），超导带材开始连续传动，到达待测位置时停止；

步骤5、按压电压探头（9）及电流探头（10），将超导带材压在滑块（12）上，使四探头前端与超导带材良好电接触；开启电流源、采集软件，进行四引线法测量带材的V-I曲线，得到测量长度内的临界电流与n值指数；

步骤6、关闭电流源，抬起电压探头（9）与电流探头（10），使之与带材分开；

步骤7、开启步进电机（17），带材继续传动，运动至设定距离即测量长度时停止，重复步骤5和6，直至整根带材测量完毕；

步骤8、整根带材测量完毕后，开启励磁模块（15）和探测模块（16）的电源，打开采集软件，设定运动速度，将带材倒带，匀速通过励磁模块（15）和探测模块（16），直至整根超导带材测量完毕。

一代高温超导带材弹性差，不能弯折过大；二代高温超导带材为涂层导体，反复弯折容易导致分层。如本装置这样的位置设计，其有益效果为：使带材在测试过程中只有单向弯曲，弯曲弧度小且弯曲半径变化不大，测量温和，最大程度地避免了带材因为在测试过程中的弯折导致的性能下降，测试完后的带材还可以继续使用。测试整个过程采用按压式四引线法与磁感应法两种方法，将两种方法测得的结果记录在一张图上。从图上可以直观准确地看出带材临界电流的细节情况，甄别有无坏点。

本发明与现有的非接触法测试装置及测试方法相比，优点在于：

按压式四引线法测量准确，结果直观；磁感应法的倒带测试配合按压式四引线法的正向测试，只用这一个装置就既得到了带材详细的临界电流和均匀性信息，又得到了比较详细的n值指数信息，还能甄别有无坏点，功能多样，结果全面。

本发明与现有按压式四引线法测试装置及测试方法相比，优点在于：

采用简洁的连续传动装置，使带材在测试过程中只有单向弯曲，弯曲弧度小且弯曲半径变化不大，测量温和，最大程度地避免了带材因为在测试过程中的弯折导致的性能下降，测试完后的带材还可以继续使用；通过滑动各探头即可调节要测量的每段超导带的长度，操作方便；编码器记录带材走过的详细距离，电压探头尖端做成狭长矩形，测量长度精确度更高；有磁感应法的倒带测试配合，能帮助了解带材的细节信息，测试结果更全面。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

以下根据图1，具体说明本发明的实施例。

如图1所示，本发明提供一种高温超导带材临界电流与n值指数的测试装置，本测量装置包含：

液氮槽1、加热器2、连续传动装置、四引线组件、磁感应组件。

所述的液氮槽1直接采用敞口设计，内外为不锈钢板，内外不锈钢板中间为特质发泡剂，在该液氮槽中的液氮蒸发率已经很低。

所述的加热器2在液氮槽上方靠近带材的位置，使用普通电阻丝即可，也可以是热风机，但带材附近温度需控制不能超过200℃，否则会导致二代高温超导带材性能下降。因为高温超导带材都具有良好的导热性，在距离液氮面不太远处的带材附近加热可以除去水蒸气，防止结冰。

所述的连续传动装置包含放线盘3、收线盘4、编码器5、6、引导定滑轮7、8；收放线盘3、4采用铝合金制作，外径300mm，内径70mm，可存放带材500m以上，其轴的尺寸与SuperPower公司二代带材使用的盘轴一致，因此也可以直接把SuperPower公司的带材盘放作为放线盘使用。编码器5、6能在测试时记录带材走过的距离，也能在磁感应法连续测试中把实际带材线速度实时反馈给步进电机17，控制带材匀速运动。引导定滑轮7、8使用低温轴承，能在液氮环境下正常工作。

所述的连续传动装置中放线盘3和收线盘4置于整体测试装置的上方中部位置，编码器5、6位于收放线盘稍下方的两边，引导定滑轮7、8位于5、6的再下方的中间位置。带材通过放线盘3，依次经过编码器5、引导定滑轮7、探测模块16、励磁模块15、引导定滑轮8、编码器6到达收线盘4。一代带材弹性差，不能弯折过大；二代带材为涂层导体，反复弯折容易导致分层。这样的位置设计使带材在测试过程中只有单向弯曲，弯曲弧度小且弯曲半径变化不大，测量温和，最大程度地避免了带材因为在测试过程中的弯折导致的性能下降，测试完后的带材还可以继续使用。

所述的连续传动装置还连接有外部设备双步进电机17，分别连在放线盘3和收线盘4的轴上，使整个连续传动装置可以实现倒带操作。

所述的四引线组件包含2个电压探头9、2个电流探头10、液氮槽底的滑轨11、2个滑块12、平行双滑杆13、支架14。其中平行双滑杆13设置在支架14上；电压探头9和电流探头10设置在平行双滑杆上，并可以在滑杆上自由滑动，以调节要测量的每段超导带的长度。电压探头9和电流探头10内部都有弹簧结构，尖端包有柔软的铟材料，保证按压式四引线法测试时不会损伤带材。探头均采用按压式结构，上端有卡口，抬起和按下位置均有对应卡槽，手动操作方便。电流探头10前部横向伸出铜导板与电流源相接，探头通电部分最细横截面积大于100mm²，保证能通过最大300A的直流电。电压探头9与电流探头10类似，但前部没有横向伸出部分，而是直接伸出引线连接外部电压表。其尖端做成狭长矩形结构，以提高按压式四引线法测量的每段距离的分辨率，本例中狭长矩形长15mm，宽2mm，其中宽度方向与走带方向平行。滑轨11和滑块12均由环氧加工而成，其绝缘和耐磨性能好。滑块12可以在滑轨11上自由滑动，在四引线法测试时，滑动滑块至两边电压探头9和电流探头10的下方，作为按压式四引线法的基台。

所述的磁感应组件包含一个励磁模块15和一个探测模块16。励磁模块15要产生远大于超导带材穿透场的均匀磁场，以使带材感应出类似环形电流的涡流，这个涡流在经过探测模块时再反作用于探测模块产生磁场，这个磁场被探测模块记录，其大小与相应位置的临界电流成正比，整带走完即可得到整带的临界电流的均匀性及有无坏点。励磁模块可以是亥姆赫兹线圈，也可以是其他能产生均匀磁场的电磁铁，还可以是永磁铁。本例中励磁模块15采用坡莫合金制作的电磁铁，通电时能在带材经过位置产生0.2T场强。本例中探测模块16采用低温霍尔探头。励磁模块15和探测模块16都被环氧包裹固定。两环氧块设置在滑轨11上，并可以在滑轨上移动。环氧块中间开孔以使带材能够穿过。

本发明还提供一种高温超导带材临界电流与n值指数的测量方法，采用倒带测试配合正向测试，结合了两种方法，并将两种方法的结果记录在一张图上，。从图上可以直观准确地看出带材临界电流的细节情况，甄别有无坏点。

该方法具体包含以下具体步骤：

步骤1、确定测量长度，通过滑杆调节两个电压探头9距离为测量长度，调节电流探头10至电压探头9两边的合适位置，把滑块12移至四个探头的正下方；

步骤2、把超导带材18两端点焊尺寸相同的不锈钢带，装到连续传动装置上，使带材通过放线盘3，依次经过编码器5、引导定滑轮7、探测模块16、励磁模块15、引导定滑轮8、编码器6到达收线盘4；

步骤3、往液氮槽1里注入液氮至液面高于带材一定高度；

步骤4、开启步进电机17，超导带材开始连续传动，到达待测位置时停止；

步骤5、按压电压探头9及电流探头10，将超导带材压在滑块12上，使四探头前端与超导带材良好电接触。开启电流源、采集软件等，进行四引线法测量带材的V-I曲线，得到测量长度内的临界电流与n值指数；

步骤6、关闭电流源，抬起电压探头9与电流探头10，使之与带材分开；

步骤7、开启步进电机17，带材继续传动，运动至设定距离即测量长度时停止，重复步骤5和6，直至整根带材测量完毕；

步骤8、整根带材测量完毕后，开启励磁模块15和探测模块16的电源，打开采集软件，设定运动速度，将带材倒带，匀速通过励磁模块15和探测模块16，直至整根超导带材测量完毕。

所述的按压式四引线法的具体原理为：对每一段测量带材，通过电流探头对其施加一直流源，由电压探头测量该段带材的电压。逐步增大电流，记录V-I曲线，取电场达到1μV/cm时的电流值I_c即测量长度内带材的平均临界电流，再取电场达到0.1μV/cm时的电流值I₀，由n值指数定义式                                               得到n=1/ln(I_c/I₀)，即得到n值指数。

本装置结构合理，使用方便，功能多样；测量温和，结果精确、全面、直观，不损伤带材，测试完的带材还可以正常使用。

本发明与现有的非接触法测试装置及测试方法相比，优点在于：按压式四引线法测量准确，结果直观；磁感应法的倒带测试配合按压式四引线法的正向测试，只用这一个装置就既得到了带材详细的临界电流和均匀性信息，又得到了比较详细的n值指数信息，还能甄别有无坏点，功能多样，结果全面。

本发明与现有按压式四引线法测试装置及测试方法相比，优点在于：采用简洁的连续传动装置，使带材在测试过程中只有单向弯曲，弯曲弧度小且弯曲半径变化不大，测量温和，最大程度地避免了带材因为在测试过程中的弯折导致的性能下降，测试完后的带材还可以继续使用；通过滑动各探头即可调节要测量的每段超导带的长度，操作方便；编码器记录带材走过的详细距离，电压探头尖端做成狭长矩形，测量长度精确度更高；有磁感应法的倒带测试配合，能帮助了解带材的细节信息，测试结果更全面。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种高温超导带材临界电流与n值指数的测量装置，其特征在于，包括有液氮槽（1）、加热器（2）、连续传动装置、四引线组件、磁感应组件；所述的连续传动装置包括有放线盘（3）、收线盘（4）、编码器（5）、（6）、引导定滑轮（7）、（8）；放线盘（3）和收线盘（4）置于整体测量装置的上方中部位置，编码器（5）、（6）位于放线盘（3）和收线盘（4）稍下方的两边，引导定滑轮（7）、（8）位于编码器（5）、（6）的再下方的中间位置，液氮槽（1）置于最下方；所述的四引线组件包含2个电压探头（9）、2个电流探头（10）、滑轨（11）、2个滑块（12）、平行双滑杆（13）和支架（14）；支架（14）设置在编码器（5）、（6）之间，平行双滑杆（13）设置在支架（14）上，电压探头（9）和电流探头（10）设置在平行双滑杆上，并可以在平行双滑杆（13）上自由滑动；液氮槽（1）底部设有滑轨（11），滑轨（11）上设有可在滑轨上滑动的两个滑块（12）；所述的磁感应组件包含一个励磁模块（15）和一个探测模块（16），均置于液氮槽（1）中；带材通过放线盘（3），依次经过编码器（5）、引导定滑轮（7）、探测模块（16）、励磁模块（15）、引导定滑轮（8）、编码器（6）到达收线盘（4）。

2.如权利要求1所述的高温超导带材临界电流与n值指数的测试装置，其特征在于，所述的电流探头（10）前部横向伸出铜导板连接外部电流源，电压探头（9）前部伸出引线连接外部电压表，电压探头（9）尖端做成狭长矩形结构。

3.如权利要求1所述的高温超导带材临界电流与n值指数的测试装置，其特征在于，所述的滑块（12）可在滑轨（11）上自由滑动，在四引线法测试时，滑动滑块至两边电压探头（9）和电流探头（10）的下方，作为按压式四引线法的基台。

4. 如权利要求1所述的高温超导带材临界电流与n值指数的测试装置，其特征在于，所述的励磁模块（15）和探测模块（16）都被环氧块包裹固定，环氧块设置在滑轨（11）上，并可以在滑轨（11）上移动，环氧块中间开孔以使带材能够穿过。

5. 如权利要求1所述的高温超导带材临界电流与n值指数的测试装置，其特征在于，所述的连续传动装置还连接有外部设备双步进电机（17），分别连在放线盘（3）和收线盘（4）的轴上。

6. 如权利要求1所述的高温超导带材临界电流与n值指数的测试装置，其特征在于，所述的引导定滑轮使用低温轴承。

7. 一种基于权利要求1所述的高温超导带材临界电流与n值指数的测量装置的测量方法，其特征在于，采用按压式四引线法逐段测量每段长度内的临界电流与n值指数，整带测完后再倒带，用磁感应法得到整带载流能力变化曲线，并将两种方法的结果记录在一张图上；具体包括以下具体步骤：

步骤1、确定测量长度，通过滑杆调节两个电压探头（9）距离为测量长度，调节电流探头（10）至电压探头（9）两边的合适位置，把滑块（12）移至四个探头的正下方；

步骤2、把超导带材（18）两端点焊尺寸相同的不锈钢带，装到连续传动装置上，使带材通过放线盘（3），依次经过编码器（5）、引导定滑轮（7）、探测模块（16）、励磁模块（15）、引导定滑轮（8）、编码器（6）到达收线盘（4）；

步骤3、往液氮槽（1）里注入液氮至液面高于带材一定高度；

步骤4、开启步进电机（17），超导带材开始连续传动，到达待测位置时停止；

步骤5、按压电压探头（9）及电流探头（10），将超导带材压在滑块（12）上，使四探头前端与超导带材良好电接触；开启电流源、采集软件，进行四引线法测量带材的V-I曲线，得到测量长度内的临界电流与n值指数；

步骤6、关闭电流源，抬起电压探头（9）与电流探头（10），使之与带材分开；

步骤7、开启步进电机（17），带材继续传动，运动至设定距离即测量长度时停止，重复步骤5和6，直至整根带材测量完毕；

步骤8、整根带材测量完毕后，开启励磁模块（15）和探测模块（16）的电源，打开采集软件，设定运动速度，将带材倒带，匀速通过励磁模块（15）和探测模块（16），直至整根超导带材测量完毕。