CN109283397A - 一种超导导体交流损耗测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超导导体交流损耗测试装置，包括有低温杜瓦，在低温杜瓦内部设有玻璃钢支架，在玻璃钢支架上安装有样品支架，在样品支架上固定有超导导体，在超导导体的两端均夹有施力装置，在超导导体的两侧分别设有背场磁体，在低温杜瓦的上下端分别设有氦气出口和液氦进口，在所述的样品支架上还设有校准加热电阻。本发明在超导导体交流损耗性能测试中发挥很大的作用，应力施加装置可以调节电缆受到的压力，模拟测试电缆在不同电磁载荷下的交流损耗性能，X和Y两个方向上都设有探测线圈可以获得导体在两个方向上的磁矩变化。本发明操作简单、结构可靠，为将来超导导体技术的发展提供了良好条件。

Description

一种超导导体交流损耗测试装置
技术领域
本发明涉及交流损耗测试技术领域，尤其涉及一种超导导体交流损耗测试装置。
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。超导磁体是托卡马克装置的重要部分，其技术是聚变工程的关键技术。超导磁体由超导导体绕制而成，因而，超导导体的研究是其中十分重要的工作。
目前，Nb3Sn和NbTi两种低温超导材料制做的超导导体已经成熟地应用在聚变装置磁体中。并且也在其他诸如大型加速器磁体以及用于生物材料领域提供背景场中得到广泛应用。而随着技术和研究的发展，对磁场强度的要求也随之提高， Nb3Sn和NbTi受其上临界磁场(Hc2)的限制，已经逐渐无法满足需求。于是，具有高临界场的高温超导导体逐渐吸引了人们的目光。
高温超导材料中,Bi系高温超导体具有很高的上临界磁场和电流密度。其中，Bi-2212材料成相机制和制备工艺简单，并且是目前唯一可以制备成圆线的高温超导体。相比于带材，圆线可以绞制电缆，制备成大型CICC导体，这为今后使用其发展大型超导磁体、线圈提供了有利条件。
无论低温超导导体还是高温超导导体，在交流运行模式下或者变化的外磁场中都会面临交流损耗的问题。交流损耗不仅影响超导磁体运行的稳定性，而且降低了运行效率，增加了制冷机的负担。所以必须准确地测定超导导体的交流损耗特性，为超导导体与超导磁体的设计及改进提供可靠依据。
为此，我们设计制作了一套超导导体交流损耗测试装置。可用于各种低温超导导体、高温超导导体的应变条件下的交流损耗测试。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种超导导体交流损耗测试装置。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种超导导体交流损耗测试装置，包括有低温杜瓦，在低温杜瓦内部设有玻璃钢支架，在玻璃钢支架上安装有样品支架，在样品支架上固定有超导导体，在超导导体的两端均夹有施力装置，在超导导体的两侧分别设有背场磁体，在低温杜瓦的上下端分别设有氦气出口和液氦进口，在所述的样品支架上还设有校准加热电阻。
所述的施力装置包括有两块压板，在两块压板的相对应的位置处开有通孔，相对应的通孔通过螺栓连接，在每个螺栓的两端分别设有螺母，在每个螺母与压板之间分别设有垫片，将所述的超导导体夹在两块压板之间，通过调节螺母夹紧超导导体，在压板上安装有应变片。
在所述的超导导体的两侧与两块压板之间分别设有弧形垫板。
每块压板上分别设有4个通孔，分别位于压板的四个角处，所述的螺栓为不锈钢316LN螺栓，所述的垫片为钛合金垫片，所述的压板为316LN压板，所述的弧形垫板为聚四氟乙烯垫板。
所述的背场磁体是一对二极磁体，二极磁体是由14个跑道型NbTi线圈组成，共有3220圈，其中直线段长600mm。
在所述的氦气出口处安装有氦气流量计，在氦气流量计通道上安装有温度传感器。
通过探测线圈(pick-up coil)测得样品周围的磁场变化速率，与补偿线圈测得的背景磁场信号相抵消得到电缆样品磁矩的变化信号。信号通过放大器放大后进入数据采集卡，积分后得到样品磁矩信息，进一步对磁滞回线积分得到样品的交流损耗。
本发明的优点是：本发明在超导导体交流损耗性能测试中发挥很大的作用，应力施加装置可以调节电缆受到的压力，模拟测试电缆在不同电磁载荷下的交流损耗性能，X和Y两个方向上都设有探测线圈可以获得导体在两个方向上的磁矩变化。
氦气流量计通道上有温度传感器，可以通过温度测量获得氦的焓变，进而得到电缆样品交流损耗的功率。
本专利适用于超导导体交流损耗性能测试实验，其结构设计新颖，目前国内尚无同类型装置。本装置操作简单、结构可靠，为将来超导导体技术的发展提供了良好条件。
附图说明
图1为施力装置结构示意图。
图2为二极磁体结构图。
图3为探测线圈法测量系统图。
图4为本发明结构示意图。
具体实施方式
如图4所示，一种超导导体交流损耗测试装置，包括有低温杜瓦1，在低温杜瓦1内部设有玻璃钢支架2，在玻璃钢支架2上安装有样品支架3，在样品支架3上固定有超导导体4，在超导导体4的两端均夹有施力装置，在超导导体4 的两侧分别设有背场磁体5，在低温杜瓦1的上下端分别设有氦气出口6和液氦进口7，在所述的样品支架3上还设有校准加热电阻8。
如图1所示，所述的施力装置包括有两块压板9，在两块压板9的相对应的位置处开有通孔，相对应的通孔通过螺栓10连接，在每个螺栓10的两端分别设有螺母11，在每个螺母11与压板9之间分别设有垫片12，将所述的超导导体4 夹在两块压板9之间，通过调节螺母11夹紧超导导体4，在压板9上安装有应变片。
在所述的超导导体4的两侧与两块压板9之间分别设有弧形垫板13。
每块压板9上分别设有4个通孔，分别位于压板9的四个角处，所述的螺栓 10为不锈钢316LN螺栓，所述的垫片12为钛合金垫片，所述的压板9为316LN 压板，所述的弧形垫板13为聚四氟乙烯垫板。
如图2所示，所述的背场磁体5是一对二极磁体，二极磁体是由14个跑道型NbTi线圈14组成，共有3220圈，其中直线段长600mm。
在所述的氦气出口6处安装有氦气流量计，在氦气流量计通道上安装有温度传感器。
导体样品由螺栓和垫板施加应力，测试前首先在装置外调节螺栓和垫板，以在样品电缆或导体上产生需要的应力。
机械应力施加系统设计如图1所示，由8个不锈钢316LN螺栓10、钛合金垫片12(热收缩系数小)、两块316LN压板9和弧形聚四氟乙烯垫板13组成。在常温下，通过螺栓施加一定预紧力到测试样品导体上。然后在降温到液氦4.2K 过程中，螺栓进一步收缩，但是钛合金垫片的热收缩要比螺栓和导体小的多，从而进一步增加在导体上的应力。最后，施加在导体上的应力大小，是通过压板上安装的应变片来计算。该系统可施加应力可达450Mpa以上。
交流损耗测试装置中的磁体系统是一对二极磁体系统(AC dipole design)，恒定的直流背场和变化的交流磁场都由这对二极磁体系统产生。
二极磁体使用西部超导公司生产的NbTi股线绕制，电镀绝缘层后超导股线的直径为0.75mm。
二极磁体由14个跑道型NbTi线圈14组成，共有3220圈，其中直线段有 600mm长。能在4.2K温度下在测试孔内产生1.5T强度磁场，在2.2K温度下产生3T强度磁场，磁场均匀区长度达到500mm。二极磁体如图2所示。
如图3所示，交流损耗测量系统中包括电测法系统和热测法系统。
电测法利用pick-up线圈中测得感应电压信号，与补偿电压信号相消后可以得到导体的磁化强度，对导体的磁滞回线(封闭的磁化强度曲线)积分就可以得到导体在一个周期内的磁滞损耗能量。
热测法通过液氦蒸发的快慢测得导体的交流损耗。导体产生的所有交流损耗都将变成热能，由液氦带走变成蒸发液氦的气化潜热。因此测量一段时间内实验装置内蒸发的氦气量，乘以液氦汽化潜热就能得到导体的交流损耗能量。
在每次交流损耗测试前后，需要使用实验装置内部的加热块测试加热量和氦气流量的函数关系。对流量计和量热法测量系统进行校准。
如图4所示，应变交流损耗性能测试装置包括施力装置、导体支架、探测线圈、氦气流量计、校准加热电阻、外杜瓦等。
本装置可以模拟电缆在电磁载荷下工作的状态，并同时使用探测线圈法和量热法测量应力下电缆的交流损耗性能。
超导导体样品在实验中需要去除铠甲，固定在支架上防止轴向应变影响实验。
由螺栓10和应变片构成的施力装置在实验中夹住电缆两端，将电缆固定在支架上，防止电缆受到轴向的应力。螺栓对电缆施加的压力通过测量应变片的形变获得。
探测线圈测量出超导电缆在变化的外磁场中的磁矩变化，得到电缆的磁滞回线，积分得到电缆的交流损耗。
交流损耗产生的热量全部由液氦吸收带走，通过测量蒸发氦气的焓变以及流量可以得到交流损耗的总功率。氦气流量计与交流损耗的关系通过交流损耗测试装置中的加热电阻校准。
两种测量方法可以相互印证、相互校准。
整个交流损耗测试装置放在低温杜瓦中，防止环境中的热量流入影响实验。

Claims (6)

1.一种超导导体交流损耗测试装置，其特征在于：包括有低温杜瓦，在低温杜瓦内部设有玻璃钢支架，在玻璃钢支架上安装有样品支架，在样品支架上固定有超导导体，在超导导体的两端均夹有施力装置，在超导导体的两侧分别设有背场磁体，在低温杜瓦的上下端分别设有氦气出口和液氦进口，在所述的样品支架上还设有校准加热电阻。
2.根据权利要求1所述的一种超导导体交流损耗测试装置，其特征在于：所述的施力装置包括有两块压板，在两块压板的相对应的位置处开有通孔，相对应的通孔通过螺栓连接，在每个螺栓的两端分别设有螺母，在每个螺母与压板之间分别设有垫片，将所述的超导导体夹在两块压板之间，通过调节螺母夹紧超导导体，在压板上安装有应变片。
3.根据权利要求2所述的一种超导导体交流损耗测试装置，其特征在于：在所述的超导导体的两侧与两块压板之间分别设有弧形垫板。
4.根据权利要求3所述的一种超导导体交流损耗测试装置，其特征在于：每块压板上分别设有4个通孔，分别位于压板的四个角处，所述的螺栓为不锈钢316LN螺栓，所述的垫片为钛合金垫片，所述的压板为316LN压板，所述的弧形垫板为聚四氟乙烯垫板。
5.根据权利要求1所述的一种超导导体交流损耗测试装置，其特征在于：所述的背场磁体是一对二极磁体，二极磁体是由14个跑道型NbTi线圈组成，共有3220圈，其中直线段长600 mm。
6.根据权利要求1所述的一种超导导体交流损耗测试装置，其特征在于：在所述的氦气出口处安装有氦气流量计，在氦气流量计通道上安装有温度传感器。
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