CN112589250A - 一种电子束焊接制备铌及铌钛线材超导接头的方法 - Google Patents

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孙万硕
崔春艳
王秋良
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Abstract

一种电子束焊接制备铌及铌钛线材超导接头的方法，选用商业的单芯或者多芯的Nb或NbTi超导线，通过物理或化学的方法去除掉超导线材外部的绝缘层和稳定层，露出Nb以及NbTi超导芯；将需要制备接头的两根超导线的芯部铰接在一起；将铰接后的超导线材放置于商业电子束焊接机中，通过电子束对焊接部位进行焊接，从而构成超导接头。

Description

一种电子束焊接制备铌及铌钛线材超导接头的方法
技术领域
本发明涉及一种超导接头的制备方法。
背景技术
超导技术是一项综合性的高技术，可广泛用于能源、医疗、交通、科学研究及国防军工等重大工程方面，并将会对国民经济和人类社会的发展产生巨大的推动作用。目前应用最广泛的就是Nb和NbTi合金这两类低温超导材料，占据了整个商业超导线材市场的95％以上。这两类超导材料绝大部分是以单芯或者多芯线材的方式作为最终产品，用于绕制各种规格的超导线圈。
商业超导线圈最主要的应用就是核磁共振谱仪(NMR)和核磁共振成像仪(MRI)。这类超导线圈不仅对磁场的强度和均匀度有很高的要求，对磁场的稳定度也有极高的要求，否则无法得到清晰的谱仪信号乃至成像信号。而磁场稳定度的关键就是Nb或者NbTi线的超导接头的制备。为了达到使用需求，超导接头的电阻必须小于10-13欧姆，最好达到10-15欧姆。
现阶段国际主流的Nb或者NbTi线的超导接头制备方法为压接法和伍德合金焊接法。压接法过程简单，但是由于直接压接无法避免界面的存在，只有最优秀的工艺流程可以满足10-13欧姆，并且无法达到更低。伍德合金焊接法可以达到10-14欧姆甚至更低的电阻，但是其本征也存在两个不可避免的问题。第一伍德合金中含有铅，是非环境友好类的焊料，已经被欧盟禁止使用。第二伍德合金的不可逆场过低，使得这种方法制备的接头最高仅能承受0.5T的外加磁场，否则载流能力就无法满足使用需求。
因此开发一条全新的Nb或者NbTi线的超导接头制备方法对超导线材在NMR和MRI上的应用推广有着非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种采用电子束焊接制备Nb以及NbTi超导接头制备方法。
本发明超导接头制备方法的主要特征在于：选用商业的单芯或者多芯Nb以及NbTi超导线，通过物理或化学的方法去除超导线材外部的绝缘层和稳定层，露出Nb以及NbTi超导芯。将需要制备接头的两根超导线的芯部铰接在一起。将铰接后的超导线材放置于商业电子束焊接机中，通过电子束对焊接部位进行焊接，从而构成超导接头。
具体如下：
(1)选取制备超导接头所需的超导线材，材料种类包括Nb和NbTi，线材种类包括单芯和多芯。选取线材后，通过物理或化学方法去除Nb和NbTi超导芯材外部的绝缘层和稳定层，裸露Nb和NbTi超导芯；
(2)将步骤(1)制备的两个超导线材的超导芯铰接在一起，为制备接头做准备；
(3)将步骤(2)制得的两个超导线材的超导芯放置于商业电子束焊接机中，待电子束焊接机腔室内的真空度达到使用标准后，调节聚焦电流，控制电子束直径在1mm～3mm，并将电子束对准需要做接头的部位，施加加速电压20～30kV，电流10～15mA，直到接头部分完全融化；
(4)关闭电子束焊接机，待温度下降到室温时，向腔室充气，打开腔室，取出焊接好的超导接头，避免接头部分被氧化。
所述腔室的真空度为5E-3pa到1E-4Pa。
本发明调节电流和电压的主要目的是为了控制能量，使得融化区域和热量扩散区域控制在很小的范围内，以免影响超导线材其它部分的超导性。
与现有的样品制备技术相比，本发明具有以下有益的效果：
本发明采用商业电子束焊接机在Nb以及NbTi的单芯及多芯超导线材中制备超导接头。这种方法区别于目前国际上常用的压接法和伍德合金法，直接将Nb或NbTi超导线局部融化并重新凝固成一体。这个过程中完全消除了物理压接界面或者伍德合金导致的异质界面，从而有效地降低接头电阻。同时又区别于伍德合金，并不采用含铅的焊料，可以有效地保护环境。而传统的电子束焊结束热量扩散区域较大，会导致非接头部分的超导材料尤其是NbTi合金发生变性，从而影响超导线材的性能。本发明采用特殊的电压和电流区间，控制电子束在短时间内作用在接头的局部区域，以减少对非接头区域的影响。
附图说明
图1单芯Nb超导线材制备的超导接头的扫描电镜照片；
图2多芯NbTi超导线材制备的超导接头的扫描电镜照片。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
实施例1
选用商业单芯Nb超导线材，通过化学法去除Nb超导芯外部的绝缘层和Cu稳定层。将两根裸露出芯部的Nb超导线材铰接在一起。将铰接后的超导线材放置到中科华正EBW—3H型电子束焊接机中，待腔室的真空度达到1E-4Pa后，调节聚焦电流使电子束直径为1mm，并将电子束对准需要做接头的部位，施加加速电压20kV，电流为15mA，直到接头部分完全融化。关闭电子束焊接机，待腔室温度达到室温，再充气打开电子束焊接机的腔室，取出接头，避免接头部分被氧化。获得的单芯Nb线超导接头如图1所示，两根超导线完全融合在一起。通过磁场衰减法在4.2K的液氦中进行测量，得到其接头电阻值为4.2×10-15欧姆。
实施例2
选用商业多芯NbTi超导线材，通过化学法去除Nb超导芯外部的绝缘层和Cu稳定层。将两根裸露出芯部的多芯NbTi超导线材完全铰接在一起。将铰接后的超导线材放置到中科华正EBW—3H型电子束焊接机中，待电子束焊接机腔体的真空度1E-3pa，调节聚焦电流使电子束直径为3mm，并将电子束对准需要做接头的部位，施加加速电压30kV，电流10mA，直到接头部分完全融化。关闭电子束焊接机后，待腔室温度达到室温再向腔室充气，打开腔室，取出接头，避免接头部分被氧化。获得的单芯NbTi线超导接头如图2所示，两根超导线中的多芯完全融合在一起。通过磁场衰减法在4.2K的液氦中进行测量，得到其接头电阻值为1.5×10-14欧姆。
实施例3
选用商业多芯NbTi超导线材，通过化学法去除Nb超导芯外部的绝缘层和Cu稳定层。将两根裸露出芯部的多芯NbTi超导线材完全铰接在一起。将铰接后的超导线材放置到中科华正EBW—3H型电子束焊接机中，待电子束焊接机腔体的真空度达到5E-3pa，调节聚焦电流使电子束直径为2mm，并将电子束对准需要做接头的部位，施加加速电压25kV，电流15mA直到接头部分完全融化。关闭电子束焊接机后，待腔室温度达到室温再向腔室充气，打开腔室，取出接头，避免接头部分被氧化。通过磁场衰减法在4.2K的液氦中进行测量，得到其接头电阻值为0.9×10-14欧姆。

Claims (3)

1.一种电子束焊接制备铌及铌钛线材超导接头的方法，其特征在于：选用商业的单芯或者多芯Nb以及NbTi超导线，通过物理或化学的方法去除掉超导线材外部的绝缘层和稳定层，露出Nb以及NbTi超导芯；将需要制备接头的两根超导线的芯部铰接在一起；将铰接后的超导线材放置于商业电子束焊接机中，通过电子束对焊接部位进行焊接，构成超导接头。
2.按照权利要求1所述的电子束焊接制备铌及铌钛线材超导接头的方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
(1)选取需要制备超导接头的超导线材，通过物理或化学的方式去除Nb和NbTi超导芯材外部的绝缘层和稳定层，裸露出Nb和NbTi超导芯；
(2)将经步骤(1)制备的两个超导线材裸露的超导芯铰接在一起；
(3)将步骤(2)中制备好的超导芯放置于商业电子束焊接机中，待电子束焊接机腔室内真空度达到使用标准后，调节聚焦电流，控制电子束直径在1mm～3mm，并将电子束对准需要做接头的部位，施加加速电压20～30kV，电流10～15mA，直到接头部分完全融化；
(4)关闭电子束后，待温度下降到室温时，向腔室充气，打开腔室，取出焊接好的超导接头，避免接头部分被氧化；
所述腔室的真空度为5E-3pa至1E-4pa。
3.按照权利要求1所述的电子束焊接制备铌及铌钛线材超导接头的方法，其特征在于：所述的材料包括Nb和NbTi，线材种类包括单芯和多芯。
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