CN108398337A - 一种超导股线局部横向压缩应变临界性能测试装置 - Google Patents

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秦经刚
李建刚
武玉
刘方
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戴超
刘华军
何宇翔
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Abstract

本发明公开了一种超导股线局部横向压缩应变临界性能测试装置，其特征在于：包括有在室温环境下工作的动力模块、在低温磁体内部低温环境下工作的测试模块。本发明的装置在超导股线局部横向压缩临界性能测试中发挥很大作用。

Description

一种超导股线局部横向压缩应变临界性能测试装置
技术领域
本发明主要涉及超导材料领域，具体涉及一种超导股线局部横向压缩应变临界性能测试装置。
背景技术
聚变能作为一种清洁能源，是人类的梦想能源之一，托卡马克型磁约束核聚变装置是产生聚变能的可靠装置，全超导托卡马克是实现聚变堆连续运行的重要保障。中国在成功建立并运行全超导非圆截面托克马克EAST的基础上，积极开展国际热核聚变实验堆ITER的建设工作。同时，各个国家也开始了下一代聚变堆的预研工作。托卡马克磁约束装置的核心是磁体线圈，这些线圈通常由CICC（cable-in-conduit conductor）导体绕制而成。
传统Nb基超导材料如Nb3Sn 和NbTi受其上临界场（Hc2）的限制，已经逐渐无法满足未来的高场需求。因此，人们逐渐将目光转向具有高临界场的高温超导材料。但是，无论低温超导材料还是高温超导材料，在CICC导体的制造和实际应用中，超导材料会因为绞制过程中的作用力、运行过程中的洛伦兹力、以及升降温过程中的热应力等的作用而发生变形，从而导致导体临界电流衰退。在未来，随着磁体技术的发展，人们对磁场强度的要求将会越来越高。一方面为了能够制造出更高磁场的磁体，人们逐渐地将目光投向了Bi-2212,YBCO等具有较高上临界场的高温超材料，而另一方面，更高的磁场强度势必会造成超导材料在运行过程中更大的变形，这些变形对于超导材料尤其是对应变十分敏感的Bi-2212来说影响是巨大的。其中局部的接触变形是造成超导线性能衰退的一个主要原因。
为了研究超导线的局部接触变形对其性能的影响，我们设计了一套专用于测试超导股线局部横向压缩应变临界性能测试装置。该装置可用于Nb3Sn、NbTi、MgB2以及Bi-2212等超导线的局部横向压缩应变临界性能测试，为未来导体的设计和优化提供理论和实践依据。
超导线局部横向压缩应变临界性能测试实验中，采用四引线法进行测量。
为了消除边界效应，选取了样品中间40mm 的长度进行测量。
实验内容主要包括：测试样品在不同的横向压缩变形量下，不同磁场强度下4.2K时超导线的临界性能。
测试样品浸泡在液氦（4.2 K）中进行通电实验，测试过程中需要在液氦中给样品施加横向压缩载荷，需要设计一套可靠的测试装置，固定测试超导样品并施加载荷，并且在一定的背景磁场中给样品通入直流电流，测试样品临界电流和n 值。
目前国际上各个低温超导实验室采用的超导线局部横向压缩应变临界性能测试装置结构不尽相同，为了能够安全、准确、可靠、高效的测量超导线的弯曲临界性能，装置设计时必须考虑以下几点：
1. 动力装置稳定可靠，
2. 测试样品固定牢靠；
3.真实模拟导线间的相互挤压，且挤压角度易于调整；
4. 电流引线优化设计，满足通电要求；
5.样品杆及电流引线易于冷却以节省液氦；
6.更换样品时样品杆易于干燥；
7.可靠的电绝缘。
发明内容
本发明目的就是为了填补目前国内在该领域的技术空白，提供一种超导股线局部横向压缩应变临界性能测试装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种超导股线局部横向压缩应变临界性能测试装置，其特征在于：包括有在室温环境下工作的动力模块、在低温磁体内部低温环境下工作的测试模块；
所述动力模块包括伺服电机、减速器、螺纹杆、垂直升降平台、导杆、第一连接法兰，伺服电机、减速器、螺纹杆依次传动联接，螺纹杆与垂直升降平台组成螺纹运动副，当螺纹杆在伺服电机以及减速器的带动下运转时，会带动垂直升降平台沿导杆上下移动，第一连接法兰用于与测试模块的连接；
所述测试模块包括压杆、第一电流引线、第二连接法兰、样品杆支撑部分、样品试验台，第二连接法兰位于样品杆支撑部分上端，样品杆支撑部分上端还与压杆的后端连接，第一电流引线穿过第二连接法兰和样品杆支撑部分内部与样品试验台连接用于试验中通电流，样品杆支撑部分的另一端连接样品试验台，所述测试模块的第二连接法兰与动力模块的第一连接法兰连接，压杆的前端连接到垂直升降平台底部；
所述样品试验台包括第三连接法兰、上压块、下压块、位移引伸计、基板，样品试验台的第三连接法兰与样品杆支撑部分连接，基板与第三连接法兰之间以样品试验台支撑杆进行连接，下压块固定在基板上，位移引伸计设置在下压块上，下压块的上端面上开设有槽，上压块在下压块的正上方且在压杆的推动下可上下运动，垂直升降平台推动压杆对样品试验台中的样品施加横向压缩载荷，位移引伸计用于测量上、下压块对样品的压缩量。
所述的一种超导股线局部横向压缩应变临界性能测试装置，其特征在于：所述样品试验台还包括第二电流引线，第二电流引线嵌在基板槽内固定，第二电流引线和下压块中的纵向槽连接组成S形用于安装和固定超导样品股线。
所述的一种超导股线局部横向压缩应变临界性能测试装置，其特征在于：所述样品试验台还包括上压块导杆，上压块可沿着上压块导杆上下移动。
所述的一种超导股线局部横向压缩应变临界性能测试装置，其特征在于：所述上、下压块均为可拆卸结构。
所述的一种超导股线局部横向压缩应变临界性能测试装置，其特征在于：所述样品杆支撑部分采用套筒式结构。
本发明的优点是：
本发明的装置在超导股线局部横向压缩临界性能测试中发挥很大作用；其中，上、下压块均为可拆卸设计，便于更换以调节导线间相互挤压的角度，上下压块采用导向杆的结构，便于保证上下压块的对中以及压力的均匀性；样品杆支撑部分采用套筒式结构易于干燥，使得更换样品的时间大大缩短，不会发生样品杆表面凝结水放入液氦杜瓦后结冰的现象；安装样品的下压块与基板连接接触可靠，低温下不会松动，同时拆卸下压块操作简单、可靠，不会损伤测试样品；样品安装位置设计成“S”形，可以在有限的空间内增长样品的长度，从而减小电流进入效应，增加实验测量的准确性。
附图说明
图1是动力模块的结构示意图。
图2是测试模块的结构示意图。
图3是样品试验台的结构示意图。
具体实施方式
如图1-3所示，为了使装置拥有稳定可靠的动力，并实现在低温4.2 K,磁场环境下的实验。需要将该装置的动力部分和测试部分分离开，第一部分为动力模块，该模块在实验用低温磁体外部、室温环境下工作，保证其稳定可靠运行；第二部分为测试模块，该模块在低温磁体内部，液氦温度4.2 K下工作。
一种超导股线局部横向压缩应变临界性能测试装置，包括有在室温环境下工作的动力模块、在低温磁体内部低温环境下工作的测试模块；
所述动力模块包括伺服电机1、减速器2、螺纹杆3、垂直升降平台4、导杆5、第一连接法兰6，伺服电机1、减速器2、螺纹杆3依次传动联接，螺纹杆4与垂直升降平台5组成螺纹运动副，当螺纹杆3在伺服电机1以及减速器2的带动下运转时，会带动垂直升降平台4沿导杆5上下移动，第一连接法兰6用于与测试模块的连接；
所述测试模块包括压杆7、第一电流引线8、第二连接法兰9、样品杆支撑部分10、样品试验台11，第二连接法兰9位于样品杆支撑部分10上端，样品杆支撑部分10上端还与压杆7的后端连接，第一电流引线8穿过第二连接法兰9和样品杆支撑部分10内部与样品试验台11连接用于试验中通电流，样品杆支撑部分10的另一端连接样品试验台11，所述测试模块的第二连接法兰9与动力模块的第一连接法兰6连接，压杆7的前端连接到垂直升降平台4底部；
所述样品试验台11包括第三连接法兰12、上压块13、下压块14、位移引伸计15、基板16，样品试验台11的第三连接法兰12与样品杆支撑部分10连接，基板16与第三连接法兰12之间以样品试验台支撑杆17进行连接，下压块14固定在基板16上，位移引伸计15设置在下压块14上，下压块14的上端面上开设有槽，上压块13在下压块14的正上方且在压杆7的推动下可上下运动，垂直升降平台4推动压杆7对样品试验台11中的样品施加横向压缩载荷，位移引伸计15用于测量上、下压块13、14对样品的压缩量。
样品试验台11还包括第二电流引线18，第二电流引线18嵌在基板16槽内固定，第二电流引线18和下压块14中的纵向槽连接组成S形用于安装和固定超导样品股线。
样品试验台11还包括上压块导杆19，上压块13可沿着上压块导杆19上下移动。
上、下压块13、14均为可拆卸结构。
样品杆支撑部分10采用套筒式结构。
动力模块作为动力装置，实验时用于给样品股线施加局部横向压缩载荷，实验时由计算机控制伺服电机按指定模式进行运转。
测试模块采用样品杆式结构，实验时将样品杆插入低温磁体中工作。
样品试验台的下压块中的横向槽用于放置与样品股线相同的短导线。当上压块在压杆的推动下向下运动，上压块会挤压交错的样品导线，从而实现对样品股线施加局部横向压缩载荷。其中下压块中的横向槽可做成多种角度，以研究导线在不同角度的局部挤压条件下的临界性能。

Claims (5)

1.一种超导股线局部横向压缩应变临界性能测试装置，其特征在于：包括有在室温环境下工作的动力模块、在低温磁体内部低温环境下工作的测试模块；
所述动力模块包括伺服电机、减速器、螺纹杆、垂直升降平台、导杆、第一连接法兰，伺服电机、减速器、螺纹杆依次传动联接，螺纹杆与垂直升降平台组成螺纹运动副，当螺纹杆在伺服电机以及减速器的带动下运转时，会带动垂直升降平台沿导杆上下移动，第一连接法兰用于与测试模块的连接；
所述测试模块包括压杆、第一电流引线、第二连接法兰、样品杆支撑部分、样品试验台，第二连接法兰位于样品杆支撑部分上端，样品杆支撑部分上端还与压杆的后端连接，第一电流引线穿过第二连接法兰和样品杆支撑部分内部与样品试验台连接用于试验中通电流，样品杆支撑部分的另一端连接样品试验台，所述测试模块的第二连接法兰与动力模块的第一连接法兰连接，压杆的前端连接到垂直升降平台底部；
所述样品试验台包括第三连接法兰、上压块、下压块、位移引伸计、基板，样品试验台的第三连接法兰与样品杆支撑部分连接，基板与第三连接法兰之间以样品试验台支撑杆进行连接，下压块固定在基板上，位移引伸计设置在下压块上，下压块的上端面上开设有槽，上压块在下压块的正上方且在压杆的推动下可上下运动，垂直升降平台推动压杆对样品试验台中的样品施加横向压缩载荷，位移引伸计用于测量上、下压块对样品的压缩量。
2.根据权利要求1所述的一种超导股线局部横向压缩应变临界性能测试装置，其特征在于：所述样品试验台还包括第二电流引线，第二电流引线嵌在基板槽内固定，第二电流引线和下压块中的纵向槽连接组成S形用于安装和固定超导样品股线。
3.根据权利要求1所述的一种超导股线局部横向压缩应变临界性能测试装置，其特征在于：所述样品试验台还包括上压块导杆，上压块可沿着上压块导杆上下移动。
4.根据权利要求1所述的一种超导股线局部横向压缩应变临界性能测试装置，其特征在于：所述上、下压块均为可拆卸结构。
5.根据权利要求1所述的一种超导股线局部横向压缩应变临界性能测试装置，其特征在于：所述样品杆支撑部分采用套筒式结构。
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