CN116559738A - 一种超导带材短样临界电流测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超导带材短样临界电流测试装置，包括超导磁体线圈、G‑M制冷机、角度旋转组件、低温氦气腔组件、样品杆组件，其中样品杆组件包含二元电流引线、安装法兰以及测量元件；本发明提供的可调背场、温度和角度的超导带材短样临界电流测试装置，采用G‑M制冷机与液氮进行冷却，摒弃了液氦冷却的模式，使用成本大大降低，安全性大大提高。
Description
技术领域
本发明属于超导低温技术领域，具体涉及的一种可调背场、温度和角度的超导带材短样临界电流测试装置。
背景技术
超导带材通流性能随其所处温度、磁场大小、磁场角度相关，获得其通流性能与其所处温度、磁场大小、磁场角度的关系，对于超导带材应用于超导磁体设计、制造特别重要。通常，低温下的开式液氦系统需要不断加注液氦来维持样品低温，系统复杂，操作繁琐，会造成大量氦气资源的浪费，实验的经济成本大幅提高。
采用基于G-M制冷冷却的干式系统直利用热传导的方式间接冷却超导带材短样，系统结构更为简洁。实际运行时不需要持续加注液氦介质，较为安全，操作较为简单，降低系统复杂程度、提高系统可操作性具有明显优势。
发明内容
本发明提供一种不采用液氦的背场、温度、角度均可调的超导带材临界电流测试装置，解决使用成本高的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超导带材短样临界电流测试装置，包括由外层的真空腔组件和内层的防辐射冷屏组件组成的低温杜瓦，所述的真空腔组件由筒体和盖板组成，所述的防辐射冷屏组件通过低导热支撑杆吊装在盖板上，所述的低温杜瓦上方分别设置有插入防辐射冷屏组件的样品杆组件、第一G-M制冷机和第二G-M制冷机，以及通过配套的电机驱动样品杆组件在0～180°范围内旋转的角度旋转组件，所述的样品杆组件上连接有液氮输液管，样品杆组件包括安装法兰、测量元件以及用于安装超导带材短样的正极二元电流引线组件和负极二元电流引线组件，所述的样品杆组件底端依次设置有充满氦气的低温氦气腔和置于超导带材短样两侧的超导磁体线圈，低温氦气腔通过第一导冷板连接第一G-M制冷机的冷头，超导磁体线圈通过第二导冷板连接第二G-M制冷机的冷头，分布于样品腔两侧的第一G-M制冷机和第一G-M制冷机分别用于传递给低温氦气腔组件内部的氦气和置于超导带材短样两侧的超导磁体线圈，超导带材短样处于超导磁体线圈中心区域，随样品杆组件在0～180°旋转时与超导磁体线圈产生的磁场形成一定角度，超导磁体线圈通过电流引线引出至盖板外连接外部磁体电源。
所述的一种超导带材短样临界电流测试装置，其正极二元电流引线组件和负极二元电流引线组件均由铜引线段、HTS引线段以及安装超导带材短样的铜板连接组成，所述的铜引线段采用液氮冷却，设置有导冷翅片，所述的HTS引线段由高温超导线材制成，在HTS引线段两侧安装有电压测量线，用于其电压监测与失超安全保护。
所述的一种超导带材短样临界电流测试装置，其正极二元电流引线组件和负极二元电流引线组件之间通过环氧树脂材料进行绝缘处理与相互固定。
所述的一种超导带材短样临界电流测试装置，其超导磁体线圈采用价格相对高温超导线材便宜的低温超导线绕制而成，用密度低、强度及导热性能好的铝合金材料做线圈骨架，由多个骨架组成，采用低温超导线绕制而成，线圈骨架由铝合金材料加工而成，超导磁体线圈的失超保护采用分段被动保护，电路由电力二极管串并联组成，超导磁体线圈由外部磁体电源通过电流引线供电，可以调节磁体线圈工作电流以调节超导带材短样所处位置磁场。
所述的一种超导带材短样临界电流测试装置，其第一导冷板上布置有加热器可以对其控温，实现超导带材短样不同温区的控制。
所述的一种超导带材短样临界电流测试装置，其低温氦气腔组件由无磁不锈钢管和无氧铜法兰真空钎焊而成，采用无氧铜法兰可以实现良好的导热性能，利于制冷机冷头产生的冷量传递给低温氦气腔内氦气。
所述的一种超导带材短样临界电流测试装置，其真空腔组件采用无磁不锈钢材料制成，所述的防辐射冷屏组件整体采用铜材料制作且在外部包扎多层绝热材料减小辐射漏热。
所述的一种超导带材短样临界电流测试装置，其低温氦气腔组件上设置有氦气进气阀和氦气安全阀。
所述的一种超导带材短样临界电流测试装置，其特征在于，所述的测量元件包括温度传感器、霍尔片、电压测试线等元器件。
本发明的有益效果在于：
1，本测试装置采用制冷机对低温氦气腔进行冷却，再通过氦气实现超导带材的降温，利用导冷板上加热器进行带材的精确控温，可保证控温的连续性和控温精度，被测样品处于低温氦气腔中，与背场磁体线圈所处的真空区域隔绝，使超导带材短样的更换不影响背景场超导磁体系统的正常运行；
2，本测试装置采用二元电流引线设计，铜引线段设置有导冷翅片，采用液氮冷却，可实现高载流能力，采用旋转结构设计，通过电机带动超导带材进行180度旋转，使得带材与磁场方向称不同夹角，满足带材与磁场不同角度下的性能测试需要；
3，本装置可同时实现被测超导带材短样所处温度、磁场大小、磁场角度的连续可调，功能齐全；可以测试不同背景强磁场、不同温度、不同角度等条件下超导线材的通流性能。
附图说明
图1是本发明测试装置的结构示意图；
图2是本发明样品杆组件的结构示意图。
各附图标记为：1—超导磁体线圈，2—低温杜瓦，3—第一导冷板，4—真空腔组件，5—防辐射冷屏组件，6—第一G-M制冷机，7—氦气进气阀，8—氦气安全阀，9—样品杆组件，9.1—安装法兰，9.2—正极二元电流引线组件，9.3—负极二元电流引线组件，9.2.1/9.3.1—铜引线段，9.2.2/9.3.2—HTS引线段，9.2.3/9.2.4—铜板，10—液氮输液管，11—角度旋转组件，12—第二G-M制冷机， 13—电流引线，14—低温氦气腔组件，15—第二导冷板，16—超导带材测试样品。
实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明公开的一种基于GM制冷机的超低温、宽温区、高场强、多角度条件下的超导带材测试装置，包含超导磁体线圈1、低温杜瓦2、第一G-M制冷机6、第二G-M制冷机12、角度旋转组件11、低温氦气腔组件14、样品杆组件9和测量系统。其中测量系统包括温度传感器、压力变送器、真空计、高斯计、电压表等测量仪表，以及测温仪、控温仪等采集控制设备，用于低温系统中温度、压力、真空度、场强、电压等物理参数的测量、采集、测试，分析与控制。
超导磁体线圈1采用价格相对高温超导线材便宜的低温超导线绕制而成，用密度低、强度及导热性能好的铝合金材料做线圈骨架，由多个骨架组成，采用低温超导线绕制而成，线圈骨架由铝合金材料加工而成，超导磁体线圈1的失超保护采用分段被动保护，电路由电力二极管串并联组成，超导磁体线圈1由外部磁体电源通过电流引线13供电，可以调节磁体线圈1工作电流以调节超导带材短样16所处位置磁场。
低温杜瓦2由外层的真空腔组件4，位于真空腔内的防辐射冷屏组件5组成，其中，真空腔组件4由盖板4.2和筒体4.1组成，防辐射冷屏组件5由低导热支撑杆吊装在真空腔组件4盖板4.2上；真空腔体组件4采用无磁不锈钢材料制成，防辐射屏组件5整体采用铜材料制作，外部包扎多层绝热材料减小辐射漏热。
如图2所示，样品杆组件9上连接有液氮输液管10，样品杆组件9包含安装法兰9.1、正极二元电流引线组件9.2、负极二元电流引线组件9.3以及测量元件。测量元件包括温度传感器、霍尔片、电压测试线等元器件。正极二元电流引线组件9.2和负极二元电流引线组件9.3均由铜引线段9.2.1和铜引线段9.3.1、HTS引线段9.2.2和HTS引线段9.3.2以及安装超导带材短样16的铜板9.2.3和铜板9.2.39.2.4连接组成，所述的铜引线段9.2.1和铜引线段9.3.1采用液氮冷却，设置有导冷翅片，所述的HTS引线段9.2.2和HTS引线段9.3.2由高温超导线材制成，在HTS引线段两侧安装有电压测量线，用于其电压监测与失超安全保护。在正极二元电流引线组件9.2和负极二元电流引线组件9.3之间通过环氧树脂材料进行绝缘处理与相互固定。超导带材短样16安装于铜板9.2.3和铜板9.2.4上，铜板9.2.3和铜板9.2.4起到热沉作用，避免超导带材短样16温度大幅变化。
所述的防辐射冷屏组件5通过低导热支撑杆吊装在盖板4.2上，角度旋转组件11通过配套的电机驱动样品杆组件9在0～180°范围内旋转，通过控制电机转动实现样品的旋转，样品杆组件9底端依次设置有充满氦气的低温氦气腔14和置于超导带材短样16两侧的超导磁体线圈1，低温氦气腔14通过第一导冷板3连接第一G-M制冷机6的冷头，超导磁体线圈1通过第二导冷板15连接第二G-M制冷机12的冷头，分布于样品腔两侧的第一G-M制冷机6和第一G-M制冷机12分别用于传递给低温氦气腔组件14内部的氦气和超导磁体线圈1，超导带材短样16处于超导磁体线圈1中心区域，置于低温氦气腔中14，腔内充满氦气，随样品杆组件9在0～180°旋转时与超导磁体线圈1产生的磁场形成一定角度，超导磁体线圈1通过电流引线13引出至盖板4.2外连接外部磁体电源。第一导冷板3上布置有加热器可以对其控温，实现超导带材短样16不同温区的控制。
低温氦气腔组件14由无磁不锈钢管和无氧铜法兰真空钎焊而成，采用无氧铜法兰可以实现良好的导热性能，利于制冷机冷头产生的冷量传递给低温氦气腔内氦气，低温氦气腔组件中设置有氦气进气阀7和氦气安全阀8。
以上所述仅是用以说明的技术方案而非对其限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的实施例，所述领域的技术人员应当理解，未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种超导带材短样临界电流测试装置，包括由外层的真空腔组件（4）和内层的防辐射冷屏组件（5）组成的低温杜瓦（2），其特征在于：所述的真空腔组件（4）由筒体（4.1）和盖板（4.2）组成，所述的防辐射冷屏组件（5）通过低导热支撑杆吊装在盖板（4.2）上，所述的低温杜瓦（2）上方分别设置有插入防辐射冷屏组件（5）的样品杆组件（9）、第一G-M制冷机（6）和第二G-M制冷机（12），以及通过电机驱动样品杆组件（9）旋转的角度旋转组件（11），所述的样品杆组件（9）上连接有液氮输液管（10），样品杆组件（9）包括安装法兰（9.1）、测量元件以及安装超导带材短样（16）的正极二元电流引线组件（9.2）和负极二元电流引线组件（9.3），所述的样品杆组件（9）底端依次设置有充满氦气的低温氦气腔（14）和置于超导带材短样（16）两侧的超导磁体线圈（1），低温氦气腔（14）通过第一导冷板（3）连接第一G-M制冷机（6）的冷头，超导磁体线圈（1）通过第二导冷板（15）连接第二G-M制冷机（12）的冷头，超导磁体线圈（1）通过电流引线（13）连接外部磁体电源。
2.根据权利要求1所述的一种超导带材短样临界电流测试装置，其特征在于，所述的正极二元电流引线组件（9.2）和负极二元电流引线组件（9.3）均由铜引线段、HTS引线段以及安装超导带材短样（16）的铜板连接组成，所述的铜引线段设置有导冷翅片，所述的HTS引线段由高温超导线材制成，两侧安装有电压测量线。
3.根据权利要求2所述的一种超导带材短样临界电流测试装置，其特征在于，所述的正极二元电流引线组件（9.2）和负极二元电流引线组件（9.3）之间设置环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的一种超导带材短样临界电流测试装置，其特征在于，所述的超导磁体线圈（1）采用低温超导线绕制而成，线圈骨架由铝合金材料加工而成，超导磁体线圈（1）的失超保护电路由电力二极管串并联组成。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种超导带材短样临界电流测试装置，其特征在于，所述的第一导冷板（3）上布置有加热器。
6.根据权利要求5所述的一种超导带材短样临界电流测试装置，其特征在于，所述的低温氦气腔组件（14）由无磁不锈钢管和无氧铜法兰真空钎焊而成。
7.根据权利要求5所述的一种超导带材短样临界电流测试装置，其特征在于，所述的真空腔组件（4）采用无磁不锈钢材料制成，所述的防辐射冷屏组件（5）采用铜材料制作且在外部包扎多层绝热材料。
8.根据权利要求5所述的一种超导带材短样临界电流测试装置，其特征在于，所述的低温氦气腔组件（14）上设置有氦气进气阀（7）和氦气安全阀（8）。
9.根据权利要求5所述的一种超导带材短样临界电流测试装置，其特征在于，所述的测量元件包括温度传感器、霍尔片、电压测试线。
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