CN116403770A - 一种超导线及抑制超导线磁通跳跃的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种超导线及抑制超导线磁通跳跃的方法，超导线包括：线体，包括芯丝和铜基体；外隔离层和/或内隔离层，外隔离层设置在线体外部，内隔离层设置在芯丝外部，外隔离层和内隔离层均采用铁磁材料制成。本申请中的超导线和抑制方法不需要改变超导线的制备工艺，而且对超导线磁通跳跃的抑制效果非常明显，同时铁磁材料的价格低廉，与现有的抑制方法相比，较大的节约了成本。
Description
技术领域
本申请涉及超导线材技术领域，特别涉及一种超导线及抑制超导线磁通跳跃的方法。
背景技术
Nb3Sn超导线具有高临界电流密度以及较高的临界温度和上临界磁场，成为目前比较常用的高场超导材料，被广泛应用于诸如超导射频腔、核磁共振、粒子加速器、磁约束可控核聚变等领域。Nb3Sn超导线在带来高性能的同时，其在外磁场作用下发生磁通跳跃进而引发材料失超的问题同样不可忽视。Nb3Sn超导线发生磁通跳跃时，大量的磁通线在极短的时间内涌入超导线内，造成超导线载流能力降低并释放大量的热量，如果热量没有及时散出，极易使超导线失超。超导线失超不仅会降低超导线的载流能力，如果超导线安装在机械部件的重要位置，极大可能会发生机械故障甚至人员伤亡。此外，Nb3Sn超导线因发生磁通跳跃释放大量热的同时，如果温度达到临界温度的数倍以上，在温度应力和洛伦茨力的作用下，极易造成脆性属性的Nb3Sn超导线内部出现不可逆转的微裂纹甚至裂纹扩展，进而影响超导线的正常使用，严重威胁了超导线的机械稳定性和磁热稳定性。因此如何抑制Nb3Sn超导线的磁通跳跃行为，成为提高其稳定性的关键问题。相关研究表明较小的芯丝尺寸和较高的基体比热都能有效的降低Nb3Sn超导线的磁通跳跃行为。然而Nb3Sn超导线采用铜基体多股超导芯丝复合结构，从目前的工艺来看，芯丝的尺寸已达到微米级，进一步减小芯丝尺寸是极其困难的，而铜基体的在低温下的比热与其纯度联系密切，进一步提升铜基体的纯度也是很困难的。
目前，抑制Nb3Sn超导线磁通跳跃的方法有：(1)在多股芯丝结构的特殊位置引入高比热的物质如Gd2O3，从而达到提高散热、增加Nb3Sn超导线的磁热稳定性的目的。然而，实验表明此类方法仅能在极小程度上缩小磁通跳跃的幅度和区间，而且还降低了Nb3Sn超导线的临界电流密度。(2)提高冷却物质的导热性，如将Nb3Sn超导线放入液氦中进行冷却，实验表明当液氦的温度低至2.10K时，能够使Nb3Sn超导线在低场下不发生磁通跳跃。然而超低温的液氦极大程度的增加了使用花费。(3)增加Nb3Sn超导线制备过程中的反应温度，并在反应物质中掺杂物质Ti。实验表明在掺杂1.2％Ti的情况下，当反应温度达到750摄氏度、保温25小时或反应温度800摄氏度、保温20小时，都能使Nb3Sn超导线在低场下不发生磁通跳跃。但这一工艺不但仅在特殊反应温度下才能够抑制超导线磁通跳跃，而且极大的降低了Nb3Sn超导线的临界电流密度，还增加了制备所用花费、制备时间和制备工艺的难度。
发明内容
本申请实施例提供了一种超导线及抑制超导线磁通跳跃的方法，用以解决现有技术中抑制超导线磁通跳跃采用的方法存在效果不明显、成本高和需要改变制备工艺的问题。
一方面，本申请实施例提供了一种超导线，包括：
线体，包括芯丝和铜基体；
外隔离层和/或内隔离层，外隔离层设置在线体外部，内隔离层设置在芯丝外部，外隔离层和内隔离层均采用铁磁材料制成。
另一方面，本申请实施例还提供了一种抑制超导线磁通跳跃的方法，包括：
在超导线的线体的外部和/或芯丝的外部分别设置外隔离层和内隔离层，外隔离层和内隔离层均采用铁磁材料制成。
本申请中的一种超导线及抑制超导线磁通跳跃的方法，具有以下优点：
1、操作简单：原有的Nb3Sn超导线制备工艺不变，只需在制备好的Nb3Sn超导线外部包裹铁磁材料即可。
2、效果明显：在Nb3Sn超导线外部包裹一定厚度的铁磁材料后，即可使超导线在外磁场作用下不发生磁通跳跃。
3、成本较低：目前铁磁材料技术较为成熟，市面常见铁磁带材单价在300～800元/m，与现有其他方案相比较大的节约了成本。
4、可靠性高：在进行外加铁磁部分的数值模拟之前，将单根超导线数值模拟结果与现有实验结果进行了对比，发现结果高度吻合，表明了数值模拟方法的准确性和可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请第一实施例提供的超导线的截面示意图；
图2为本申请第一实施例提供的超导线的立体示意图；
图3为本申请第二实施例提供的超导线的截面示意图；
图4为单根超导线在应用本申请的抑制方法前的实验结果；
图5为单根超导线在应用本申请的抑制方法前的模拟结果；
图6为本申请对比实施例提供的超导线的截面示意图；
图7为本申请对比实施例中超导线的模拟结果；
图8为本申请提供的实施例中超导线的模拟结果。
附图标号说明：100-线体，110-芯丝，120-铜基体，200-外隔离层，300-内隔离层，400-树脂层。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
图1-3为本申请两种实施例提供的超导线的结构示意图。本申请实施例提供了一种超导线，包括：
线体100，包括芯丝110和铜基体120；
外隔离层200和/或内隔离层300，外隔离层200设置在线体100外部，内隔离层300设置在芯丝110外部，外隔离层200和内隔离层300均采用铁磁材料制成。
示例性地，芯丝110通常采用径向截面为正六边形的细丝，铜基体120为圆柱状结构，其轴向设置有多个相互平行的通孔，该通孔的形状和大小与芯丝110匹配，因此芯丝110可以插入至通孔中，之后在高温下将组合体拉拔至最终尺寸，在拉拔过程之间需要进行多次中间退火，以缓解铜基体的加工硬化，在拉拔成型之后进行热处理。芯丝110和铜基体120组合后形成传统意义上的超导线，即本申请中所说的线体100。
在本申请的超导线中，可以仅在线体100，具体来说是铜基体120的外部设置外隔离层200，或仅在芯丝110的外部设置内隔离层300，也可以既在线体100的外部设置外隔离层200，也在芯丝110的外部设置内隔离层300。由于外隔离层200设置在线体100的外部，因此外隔离层200的形状与线体100的形状相同，均为圆柱状，而且外隔离层200的内径与线体100的外径相当。而且，内隔离层300的形状与芯丝110的形状可以相同，例如为正六棱柱状，也可以采用不同的形状，例如圆柱形的内隔离层300。而且内隔离层300的内部尺寸与芯丝110的截面尺寸相当，相应地，铜基体120内部的通孔的截面尺寸和内隔离层300的外部尺寸相当，因此外隔离层200能够与线体100良好接触，内隔离层300也可以与芯丝110和铜基体120良好接触，进而对芯丝110产生的热量及时排出。
本申请中外隔离层200和内隔离层300采用的铁磁材料可以为铁、钴、镍或其中任一种的合金。
应理解，虽然上述背景技术中提及的均为Nb3Sn超导线，但是本申请中通过隔离层来抑制超导线磁通跳跃的方法能够应用于任意一种超导线。
在一种可能的实施例中，外隔离层200为条状结构，外隔离层200采用螺旋卷绕的方式设置在线体100外部。
示例性地，采用卷绕的方式将外隔离层200设置在线体100外部后，可以通过增加或减少外隔离层200的卷绕圈数来调节在线体100上的卷绕厚度，进而达到需要的厚度。
进一步地，外隔离层200卷绕后的轴向长度大于线体100的轴向长度。具体地，外隔离层200轴向的长度可以大于线体100轴向的长度数个毫米，以使外隔离层200更好的将线体100包围在内，进而将外磁场更好的隔离。
在一种可能的实施例中，内隔离层300也为条状结构，内隔离层300采用铁磁粉末填充的工艺设置在芯丝110外部。
示例性地，采用铁磁粉末填充工艺的方式将内隔离层300设置在芯丝110外部后，可以通过增加或减少内隔离层300的铁磁粉末体积来调节在芯丝110上的隔离层厚度。
在本申请的实施例中，除采用铁磁粉末填充工艺外，还可以采用一体成型、喷或涂的方式使内隔离层300形成一个整体，并包裹在芯丝110外部，使内隔离层300的外表面平整，进而与铜基体120紧密接触。
进一步地，内隔离层300填充后的轴向长度大于芯丝110的轴向长度。通过在芯丝110外部设置内隔离层300可以减小进入芯丝110内部的外磁场和芯丝110之间的相互作用。
本申请实施例还提供了一种抑制超导线磁通跳跃的方法，包括：
在超导线的线体100的外部和/或芯丝110的外部分别设置外隔离层200和内隔离层300，外隔离层200和内隔离层300均采用铁磁材料制成。
下面采用数值模拟的方式展示本申请中设置隔离层后对磁通跳跃的抑制效果。首先，本申请对单根超导线的磁通跳跃情况进行了实验验证，磁化曲线如图4所示，然后采用数值模拟的方法对单根超导线进行了磁通跳跃的模拟，磁化曲线如图5所示，图4和图5中的每次波动即为一次磁通跳跃。对比图4和图5，可以看出每轮磁场加载的起跳点和结束跳跃的点都十分吻合，表明了数值模拟的结果和实验的结果存在高度一致。
为了展示本申请设置隔离层后的磁通跳跃抑制效果，还设置了如图6所示的对比实施例。在该对比实施例中，将图1中的外隔离层100替换为树脂层400，该树脂层400采用环氧树脂制成，对比实施例中的其他数据相对于图1中的超导线保持不变。采用树脂层400和隔离层后数值模拟的磁化曲线分别如图7和8所示。从磁化曲线可以看出，外加相同厚度的隔离层能够极大程度抑制超导线的磁通跳跃。其中外加树脂层的超导线在一定程度上抑制了超导线的磁通跳跃，在外加磁场从0T增到3T再到0T的过程中，发生磁通跳跃的次数从14次降低至8次，仅抑制了6次。而外加隔离层的超导线则抑制了10次的磁通跳跃，可以看出铁磁材料的隔离层对超导线磁通跳跃的抑制是非常明显的。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种超导线，其特征在于，包括：
线体(100)，包括芯丝(110)和铜基体(120)；
外隔离层(200)和/或内隔离层(300)，所述外隔离层(200)设置在所述线体(100)外部，所述内隔离层(300)设置在所述芯丝(110)外部，所述外隔离层(200)和内隔离层(300)均采用铁磁材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种超导线，其特征在于，所述外隔离层(200)为条状结构，所述外隔离层(200)采用螺旋卷绕的方式设置在所述线体(100)外部。
3.根据权利要求2所述的一种超导线，其特征在于，所述外隔离层(200)卷绕后的轴向长度大于所述线体(100)的轴向长度。
4.根据权利要求1所述的一种超导线，其特征在于，所述内隔离层(300)也为条状结构，所述内隔离层(300)采用铁磁粉末填充的工艺设置在所述芯丝(110)外部。
5.根据权利要求4所述的一种超导线，其特征在于，所述内隔离层(300)填充后的轴向长度大于所述芯丝(110)的轴向长度。
6.一种抑制超导线磁通跳跃的方法，其特征在于，包括：
在超导线的线体(100)的外部和/或芯丝(110)的外部分别设置外隔离层(200)和内隔离层(300)，所述外隔离层(200)和内隔离层(300)均采用铁磁材料制成。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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