CN110823747B - 一种通过质量-电阻法测量wic镶嵌超导线铜超比方法 - Google Patents

一种通过质量-电阻法测量wic镶嵌超导线铜超比方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及WIC镶嵌超导线材铜超比测量技术领域，尤其为WIC镶嵌超导线提供一种质量与电阻相结合的铜超比测量方法；将镀锡前镶嵌圆线与镶嵌铜槽线进行剥离；采用电阻法测量镶嵌圆线的铜超比β，通过计算得出镶嵌圆线铜的体积，镶嵌圆线Nb阻隔层与NbTi芯丝的体积；称重镶嵌铜槽质量并通过计算获得镶嵌铜槽线体积；称重WIC镀锡成品线质量，镶嵌铜槽与镶嵌圆线质量之和，两者相减获得镶嵌焊料锡的质量并通过计算获得焊料锡的体积。大量测量比对实验表明：本发明的方法与化学腐蚀法测量比对误差在2％以内，满足使用需求。本发明的方法与化学腐蚀法相比，效率提升65％以上，且避免了化学腐蚀法使用HNO3对环境造成的污染。

Description

一种通过质量-电阻法测量WIC镶嵌超导线铜超比方法
技术领域
本发明属于铜超比测量技术领域，具体涉及一种通过质量-电阻法测量WIC镶嵌超导线铜超比方法。
背景技术
WIC镶嵌超导线材是目前应用最广泛的超导体。在核磁共振成像仪(MRI)、核磁共振谱仪(NMR)、大型粒子加速器及超导储能系统(SMES)，磁约束核聚变装置(Tokamak)等多个领域有着极其广泛的应用。
铜超比是Cu/NbTi超导线材非常重要的一项性能指标，原始的化学腐蚀法存在一定的缺陷：1)测量周期长效率低，测量一个样品需要40分钟；2)测量过程使用有污染的化学试剂HNO3，WIC作为主型产品测量铜超比时需使用大量的化学试剂对环境产生一定的污染。
发明内容
本发明的目的是提供一种通过质量-电阻法测量WIC镶嵌超导线铜超比方法，解决了现有技术中测量效率低下和使用化学试剂HNO3对空气产生污染的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种通过质量-电阻法测量WIC镶嵌超导线铜超比方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对WIC镶嵌超导线分别获取大于L米镀锡前样品和镀锡后样品，并对镀锡前样品进行镶嵌铜槽线与镶嵌圆线剥离；
步骤2、环境温度处于0℃-35℃，测量样品所处的环境温度T，计算出样品所处环境温度T时铜的电阻率，并通过四引线法测量L米的镶嵌圆线的总电阻Rm，测量镶嵌圆线的直径，计算镶嵌圆线的铜超比β；
步骤3、采用精密电子秤称L米的镀锡后样品质量MWIC、L米镶嵌圆线质量MSUP、L米镶嵌铜槽线的质量MC-Cu；
步骤4、通过镶嵌圆线的铜超比β和步骤3中称量质量，计算WIC镶嵌线的铜超比。
镀锡前样品为镶嵌铜槽线内镶嵌圆线，镀锡后样品为镶嵌铜槽线内镶嵌圆线，且镶嵌铜槽线与镶嵌圆线之间镀锡。
镶嵌圆线为铌钛/铜超导线。
精密电子秤精度为0.1mg。
计算镶嵌圆线的铜超比β具体过程为：
σCu＝0.017102×(1+0.00393×(T-20)) (1)
依据电阻并联原理：
Figure BDA0002253886000000021
依据电阻率计算原理：
Figure BDA0002253886000000022
Figure BDA0002253886000000023
可得镶嵌圆线的铜超比β为：
Figure BDA0002253886000000031
式(1)至式(5)中，RNT为镶嵌圆线铌钛区电阻；RCu为镶嵌圆线铜区电阻；σCu为铜的电阻率；σNT为Nb47Ti电阻率，Ssup为镶嵌圆线的截面积；β为镶嵌圆线铜超比。
步骤4具体过程为：
样品铜区的体积：
Figure BDA0002253886000000032
样品铌钛区的体积：
Figure BDA0002253886000000033
则WIC镶嵌线的铜超比为：
Figure BDA0002253886000000034
式(6)-式(8)中，VCSn是样品铜区的体积，包括镶嵌铜槽线体积，镶嵌焊料锡的体积及镶嵌圆线铜的体积之和，ρCu是镶嵌铜槽线的密度，ρSn是锡的密度。
本发明的有益效果是：
本发明一种通过质量-电阻法测量WIC镶嵌超导线铜超比方法，代替了化学腐蚀法进行铜超比测量，大幅度提高了测量效率，摆脱了铜超比测量对化学试剂的依赖，避免环境污染与测试员身体上的伤害。
附图说明
图1是四引线法测量原理图；
图2(a)是本发明方法与化学腐蚀法在名义铜超比4.5镶嵌圆线测量比对结果图；
图2(b)是本发明方法与化学腐蚀法在名义铜超比1.26镶嵌圆线测量比对结果图；
图2(c)是本发明方法与化学腐蚀法在名义铜超比0.58单芯线测量比对结果图；
图3是本发明WIC镶嵌线质量-电阻法与化学腐蚀法测量结果分析；
图4是“超导线材电阻法Cu/Sc测量”软件；
图5是镀锡前的镶嵌圆线与镶嵌铜槽线剥离。
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。
WIC镶嵌超导线分为3部分：基体铜，基体锡，铌钛。本发明通过称重获得镶嵌铜槽线与锡的体积，通过电阻法测量镶嵌圆线的铜超比获得镶嵌圆线铜的体积与铌钛的体积。
WIC镶嵌线铜超比定义为：稳定化学材料铜的截面积加锡的截面积之和与由Nb-Ti芯丝和Nb阻隔层组成的非铜截面积的比值。
本发明为一种通过质量-电阻法测量WIC镶嵌超导线铜超比方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对WIC镶嵌超导线分别获取(L+0.5)米镀锡前样品和镀锡后样品，并对镀锡前样品进行镶嵌铜槽线与镶嵌圆线(铌钛/铜超导线)剥离；
镀锡前样品为镶嵌铜槽线内镶嵌圆线，镀锡后样品为镶嵌铜槽线内镶嵌圆线，且镶嵌铜槽线与镶嵌圆线之间镀锡。
步骤2、环境温度处于0℃-35℃时，测量样品所处的环境温度T，并通过四引线法如图1所示，测量L米镀锡前镶嵌圆线的总电阻Rm，测量镶嵌圆线的直径，计算镶嵌圆线的铜超比β；
步骤3、采用精度为0.1mg精密电子秤称L米镀锡后样品质量MWIC、L米镶嵌圆线质量MSUP、L米镶嵌铜槽线的质量MC-Cu；
步骤2中计算镶嵌圆线的铜超比β，具体过程为：
σCu＝0.017102×(1+0.00393×(T-20)) (1)
依据电阻并联原理：
Figure BDA0002253886000000051
依据电阻率计算原理：
Figure BDA0002253886000000052
Figure BDA0002253886000000053
可得镶嵌铌钛/铜超导线的铜超比β为：
Figure BDA0002253886000000054
式(1)至式(5)中，RNT为镶嵌圆线铌钛区电阻；RCu为镶嵌圆线铜区电阻；σCu为铜的电阻率；σNT为Nb47Ti电阻率，Ssup为镶嵌圆线的截面积；β为镶嵌圆线铜超比。
步骤4、通过镶嵌圆线的铜超比β和步骤3中称量的质量，计算WIC镶嵌线的铜超比。
具体过程为：
样品铜区的体积：
Figure BDA0002253886000000061
样品铌钛区的体积：
Figure BDA0002253886000000062
则WIC镶嵌线的铜超比为：
Figure BDA0002253886000000063
式(6)-式(8)中，VCSn是样品铜区的体积，包括镶嵌铜槽线体积，镶嵌焊料锡的体积及镶嵌圆线铜的体积之和，ρCu是镶嵌铜槽线的密度，ρSn是锡的密度。
为了对本发明一种通过质量-电阻法测量WIC镶嵌超导线铜超比方法的说明，对该方法进行可行性分析和有效性证明：
一、可行性分析
根据原理，关键在于测量镶嵌圆线的铜超比β，故进行镶嵌圆线的β测量来说明本方法的可行性：在电阻法铜超比测量平台测量圆线的铜超比，并进行密度法测量，进行比对实验：
1.直径1.114mm，且名义铜比4.5的生产复合圆线电阻法与密度法比对实验，如图2(a)所示；
2.直径0.3mm～2mm，且铜比小于2的生产复合圆线电阻法与密度法比对实验，如图2(b)所示；
3.单芯棒5.7mm，且名义铜比0.58的单芯线的电阻法与密度法比对实验，如图2(c)所示。
综合1～3，即名义直径(0.3～2.0)mm&名义铜超比0.5～4.5的Cu/Nb-Ti超导线材的电阻法与密度法比对测量，圆线电阻法与化学腐蚀法测量结果分析如图2(a)、图2(b)、图2(c)所示，两种方法的误差在2％以内，满足使用需求。
二、采用本发明的方法有效性证明
进行WIC主型产品样品线的质量-电阻法与化学腐蚀法的铜超比测量，并对结果进行分析，具体实验包括：
1.WIC成品线-(1.65×1.10)mm，且名义铜比是4.5,测量结果如表1所示：
表1
Figure BDA0002253886000000071
2.WIC成品线-(1.978×1.173)mm，且名义铜比是6.2/7.0/8.0/10.5，这里列出铜比7的测量结果如表2所示：
表2
Figure BDA0002253886000000072
Figure BDA0002253886000000081
3.WIC成品线-(2.67×1.32)mm，且名义铜比是16.4，测量结果如表3所示：
表3
Figure BDA0002253886000000082
通过表1、表2、表3中数据可以得出(1.65～2.67)mm×(1.10×1.32)mm且名义铜超比是4.5～16.4的WIC镶嵌线。比对结果误差均在-0.15～0.2以内，误差全部落在2％以内，满足需求，可用质量-电阻法代替化学腐蚀法进行铜超比测量。WIC镶嵌线质量-电阻法与化学腐蚀法测量结果分析如图3所示。
实施例
准备测量工具：定长工装；测量信号线；外径千分尺；精密电子秤；斜口钳；尖嘴钳。
准备的测量系统：2182ANANOVOLTMETER(纳伏计)；2000MULTIMETER(多功能数字万用表)；KEPCO PROGRAMMABLE POWER SUPPLY(可编程电流源)；211Temperature monitor(温度监视器)；USB-GPIB通讯数据采集线；DT670(温度计)；计算机一台，并装有测量软件“超导线材电阻法Cu/Sc测量”，如图4所示。
样品选择：在WIC镶嵌线材1012W-19061尾部镀锡交接处镀锡前后分别取1.5m长(则样品共3m)的样品，并用斜口钳和尖嘴钳将镀锡前的镶嵌圆线与镶嵌铜槽线进行剥离，如图5所示。
用电阻法铜超比测量平台测量镶嵌圆线的铜超比β是0.921，测量线径是0.826，定长镶嵌铜槽线，镶嵌圆线，WIC成品线均为1m，称重镶嵌铜槽线质量是14.6550g，称重镶嵌铜槽线与镶嵌圆线质量之和是18.6611g，称重WIC镶嵌线质量是19.0458g，从而根据公式(8)计算出WIC镶嵌线的铜超比是6.993，同时用密度法进行复测结果是6.912，测量百分比误差是1.17％，满足使用需求。
通过上述方式，本发明一种通过质量-电阻法测量WIC镶嵌超导线铜超比方法，代替了化学腐蚀法进行铜超比测量，大幅度提高了测量效率，摆脱了铜超比测量对化学试剂的依赖，避免环境污染与测试员身体上的伤害。

Claims (3)

1.一种通过质量-电阻法测量WIC镶嵌超导线铜超比方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、对WIC镶嵌超导线分别获取大于L米镀锡前样品和镀锡后样品，并对镀锡前样品进行镶嵌铜槽线与镶嵌圆线剥离；所述镶嵌圆线为铌钛/铜超导线；
步骤2、环境温度处于0℃-35℃，测量样品所处的环境温度T，计算出样品所处环境温度T时铜的电阻率，并通过四引线法测量L米的镶嵌圆线的总电阻Rm，测量镶嵌圆线的直径，计算镶嵌圆线的铜超比β；
所述计算镶嵌圆线的铜超比β具体过程为：
σCu＝0.017102×(1+0.00393×(T-20)) (1)
依据电阻并联原理：
Figure FDA0003357661170000011
依据电阻率计算原理：
Figure FDA0003357661170000012
Figure FDA0003357661170000013
镶嵌圆线的铜超比β为：
Figure FDA0003357661170000014
式(1)至式(5)中，RNT为镶嵌圆线铌钛区电阻；RCu为镶嵌圆线铜区电阻；σCu为铜的电阻率；σNT为Nb47Ti电阻率，Ssup为镶嵌圆线的截面积；β为镶嵌圆线铜超比；
步骤3、采用精密电子秤称L米的镀锡后样品质量MWIC、L米镶嵌圆线质量MSUP、L米镶嵌铜槽线的质量MC-Cu；
步骤4、通过镶嵌圆线的铜超比β和步骤3中称量质量，计算WIC镶嵌线的铜超比，具体过程为：
样品铜区的体积为：
Figure FDA0003357661170000021
样品铌钛区的体积：
Figure FDA0003357661170000022
则WIC镶嵌线的铜超比为：
Figure FDA0003357661170000023
式(6)-式(8)中，VCSn是样品铜区的体积，包括镶嵌铜槽线体积，镶嵌焊料锡的体积及镶嵌圆线铜的体积之和，ρCu是镶嵌铜槽线的密度，ρSn是锡的密度。
2.根据权利要求1所述一种通过质量-电阻法测量WIC镶嵌超导线铜超比方法，其特征在于，所述镀锡前样品为镶嵌铜槽线内镶嵌圆线，所述镀锡后样品为镶嵌铜槽线内镶嵌圆线，且镶嵌铜槽线与镶嵌圆线之间镀锡。
3.根据权利要求1所述一种通过质量-电阻法测量WIC镶嵌超导线铜超比方法，其特征在于，所述精密电子秤精度为0.1mg。
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