CN117554431A - 一种Ta增强型青铜Nb3Sn超导线基-超比的电阻测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于超导线基‑超比测量技术领域技术领域，公开了一种Ta增强型青铜Nb3Sn超导线基‑超比的电阻测量方法，Ta增强型青铜Nb3Sn属于内外稳定的新型超导线，内稳定体是Ta,外稳定体是无氧铜，中间的超导区是青铜加Nb。根据并联原理，首先计算出外稳定体无氧铜与超导区加内稳定体Ta的体积比β2，再计算出内稳定体Ta与超导区的体积比β1。并结合体积比与样品截面积关系推算出Ta增强型青铜Nb3Sn超导线材的基‑超比β。大量测试比对实验表明：本发明的方法与纸张称重法测试比对误差在4％以内，满足使用需求。本发明的方法与纸张称重法相比，效率提升90％以上。
Description
技术领域
本发明涉及超导线基-超比测量技术领域，具体为一种Ta增强型青铜Nb3Sn超导线基-超比的电阻测量方法。
背景技术
Ta增强型青铜Nb3Sn超导线是我国核聚变堆、高能物理等重大科研装置建设所需的超导线材之一。同时在核磁共振(NMR)成像等高端科研装备、产业以及医疗产业的发展有着较好的应用前景。
基-超比是Ta增强型青铜Nb3Sn超导线非常重要的一项性能指标，对于超导线临界电流密度计算有着重要意义。现有技术中大部分时候均是采用纸张称重法对基-超比进行测量。然而原始的纸张称重法将样品垂直的镶嵌在树脂中进行抛光，样品抛光依赖于成熟的抛光技术，且一个样品测试从抛光、拍照、复印、剪纸、称重到最后的基-超比计算大约需要2h。因此纸张称重法不但依赖于熟练的样品抛光人员，且测试周期也无法满足生产过程需求，整体的测试周期较长，且效率较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Ta增强型青铜Nb3Sn超导线基-超比的电阻测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种Ta增强型青铜Nb3Sn超导线基-超比的电阻测量方法，包括以下步骤：
建立Ta增强型青铜Nb3Sn超导线基-超比和截面积及体积比的数学模型；
获取Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品；
获取Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的外稳定体无氧铜与超导区加内稳定体Ta的体积比；
获取Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的内稳定体Ta与超导区的体积比；
获取Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的截面积；
根据所述数学模型、截面积以及外稳定体无氧铜与超导区加内稳定体Ta的体积比和内稳定体Ta与超导区的体积比确定所述Ta增强型青铜Nb3Sn超导线基-超比。
进一步优选地，所述数学模型为：
式中，β为Ta增强型青铜Nb3Sn超导线的基-超比，S为Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的截面积，β2为Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的外稳定体无氧铜与超导区加内稳定体Ta的体积比，β1为Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的内稳定体Ta与超导区的体积比。
进一步优选地，所述Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的外稳定体无氧铜与超导区加内稳定体Ta的体积比计算如下式：
式中，ρCu为无氧铜的电阻率，L为Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品电压间距的长度，ρX为超导区(Cu+Nb)加稳定体Ta的整体电阻率，Rm为线材总电阻，S为Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的截面积。
进一步优选地，所述Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的内稳定体Ta与超导区的体积比计算如下式：
式中，ρTa为内稳定体Ta的电阻率，L为Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品电压间距的长度，ρQ为超导区的电阻率，ρX为超导区(Cu+Nb)加稳定体Ta的整体电阻率。
进一步优选地，所述公式(2)和(3)中ρCu、ρX、ρQ及ρTa的具体获得方法包括以下步骤：
步骤1：测量组装Ta增强型青铜Nb3Sn超导线用无氧铜的电阻随温度变化，计算拟合得到ρCu随温度变化关系计算如下式：
ρCu＝ρCu_293K×(1+A1×(T-293)) (4)
式中：ρCu为无氧铜的电阻率(mΩ*mm)；ρCu_293K为无氧铜在293K时的电阻率(mΩ*mm)；A1为无氧铜的电阻率温度系数；T为温度(273K～315K)；
步骤2：取一个已知β1的Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品作为标样，测量Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品无氧铜以内所有组分的电阻Rx随温度变化；计算拟合得到ρX随温度变化关系，计算如下式：
ρX＝ρX_293K×(1+A2×(T-293)) (5)
计算拟合超导区的电阻率ρQ随温度变化，计算如下式：
ρQ＝ρQ_293K×(1+A3×(T-293)) (6)
式中：ρX为超导区加内稳定体Ta的整体电阻率(mΩ*mm)；ρX_293K为超导区加Ta整体在293K时的电阻率(mΩ*mm)；A2为超导区加Ta整体的电阻率温度系数；T为温度(273K～315K)；ρQ为超到区的电阻率(mΩ*mm)；ρQ_293K为超到区在293K时的电阻率(mΩ*mm)；A3为超到区电阻率温度系数；
步骤3：测量Ta增强型青铜Nb3Sn超导线组装所用材料Ta电阻随温度变化，计算拟合得到ρTa随温度变化关系，计算如下式：
ρTa＝ρTa_293K×(1+A4×(T-293)) (7)
式中：ρTa为内稳定体Ta的电阻率(mΩ*mm)；ρTa_293K为内稳定体Ta在293K时的电阻率(mΩ*mm)；A4为Ta的电阻率温度系数；T为温度(273K～315K)。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种Ta增强型青铜Nb3Sn超导线基-超比的电阻测量方法，测量过程中，代替了原有的纸张称重法进行Ta增强型青铜Nb3Sn超导线基-超比测试，摆脱了通过原有的纸张称重法进行基-超比测试时对样品抛光人员的依赖。且单个样品测试时间由120min缩短至3min，大幅提高了测试效率。
附图说明
图1是无氧铜电阻率ρCu随温度变化；
图2是Ta增强型青铜Nb3Sn中超导区加内稳定体Ta的整体电阻率ρX随温度变化；
图3是Ta增强型青铜Nb3Sn中超导区电阻率ρQ随温度变化；
图4是Ta增强型青铜Nb3Sn中Ta电阻率ρTa随温度变化；
图5是四引线法测电阻原理；
图6是本发明方法与纸张称重法Ta增强型青铜Nb3Sn样品基-超比测试比对结果；
图7为本发明的Ta增强型Nb3Sn超导线截面图。
具体实施方式
下面将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，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-7，本发明提供一种技术方案：
一种Ta增强型青铜Nb3Sn超导线基-超比的电阻测量方法，包括以下步骤：
建立Ta增强型青铜Nb3Sn超导线基-超比和截面积及体积比的数学模型；数学模型为：
式中，β为Ta增强型青铜Nb3Sn超导线的基-超比，S为Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的截面积，β2为Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的外稳定体无氧铜与超导区加内稳定体Ta的体积比，β1为Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的内稳定体Ta与超导区的体积比。Ta增强型青铜Nb3Sn属于内外稳定型的新型超导线，内稳定体是Ta,外稳定体是无氧铜，中间的超导区是青铜加铌Nb。根据并联原理，首先计算出Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的外稳定体无氧铜与超导区加内稳定体Ta的体积比β2，再计算出Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的内稳定体Ta与超导区的体积比β1。并结合数学模型、截面积以及外稳定体无氧铜与超导区加内稳定体Ta的体积比和内稳定体Ta与超导区的体积比确定Ta增强型青铜Nb3Sn超导线基-超比关系推算出Ta增强型青铜Nb3Sn超导线材的基-超比β
获取Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品，从待测量的Ta增强型青铜Nb3Sn超导线上截取一段，作为Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品；
获取Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的外稳定体无氧铜与超导区加内稳定体Ta的体积比，Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的外稳定体无氧铜与超导区加内稳定体Ta的体积比计算如下式：
式中，ρCu为无氧铜的电阻率，L为Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品电压间距的长度，ρX为超导区(Cu+Nb)加稳定体Ta的整体电阻率，Rm为线材总电阻，S为Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的截面积。Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的外稳定体无氧铜与超导区加内稳定体Ta的体积比β2的数学模型建立：将Ta增强型青铜Nb3Sn看做两部分，一部分是无氧铜，另一部分是超导区加Ta，根据并联原理计算β2。
获取Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的内稳定体Ta与超导区的体积比，Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的内稳定体Ta与超导区的体积比计算如下式：
式中，ρTa为内稳定体Ta的电阻率，L为Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品电压间距的长度，ρQ为超导区的电阻率，ρX为超导区(Cu+Nb)加稳定体Ta的整体电阻率。Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的内稳定体Ta与超导区的体积比β1的计算，将Ta增强型青铜Nb3Sn的Nb阻隔层及以内的所有组分看做一个内稳定的超导体，根据并联原理推导此内稳定超导体的体积比β1。
获取Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的截面积，Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的截面如图7所示，在测量Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的截面积时，先测量Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的截面尺寸，然后根据截面尺寸确定截面积；
根据数学模型、截面积以及外稳定体无氧铜与超导区加内稳定体Ta的体积比和内稳定体Ta与超导区的体积比确定Ta增强型青铜Nb3Sn超导线基-超比，将Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品截面积S、β2、β1带入公式(1)中计算出Ta增强型青铜Nb3Sn样品的基-超比。
本发明中，公式(2)和(3)中ρCu、ρX、ρQ及ρTa的具体获得方法包括以下步骤：
步骤1：测量组装Ta增强型青铜Nb3Sn超导线用无氧铜的电阻随温度变化，计算拟合得到ρCu随温度变化关系计算如下式：
ρCu＝ρCu_293K×(1+A1×(T-293)) (4)
式中：ρCu为无氧铜的电阻率(mΩ*mm)；ρCu_293K为无氧铜在293K时的电阻率(mΩ*mm)；A1为无氧铜的电阻率温度系数；T为温度(273K～315K)；
步骤2：取一个已知β1的Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品作为标样，测量Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品无氧铜以内所有组分的电阻Rx随温度变化；计算拟合得到ρX随温度变化关系，计算如下式：
ρX＝ρX_293K×(1+A2×(T-293)) (5)
计算拟合超导区的电阻率ρQ随温度变化，计算如下式：
ρQ＝ρQ_293K×(1+A3×(T-293)) (6)
式中：ρX为超导区加内稳定体Ta的整体电阻率(mΩ*mm)；ρX_293K为超导区加Ta整体在293K时的电阻率(mΩ*mm)；A2为超导区加Ta整体的电阻率温度系数；T为温度(273K～315K)；ρQ为超到区的电阻率(mΩ*mm)；ρQ_293K为超到区在293K时的电阻率(mΩ*mm)；A3为超到区电阻率温度系数；
步骤3：测量Ta增强型青铜Nb3Sn超导线组装所用材料Ta电阻随温度变化，计算拟合得到ρTa随温度变化关系，计算如下式：
ρTa＝ρTa_293K×(1+A4×(T-293)) (7)
式中：ρTa为内稳定体Ta的电阻率(mΩ*mm)；ρTa_293K为内稳定体Ta在293K时的电阻率(mΩ*mm)；A4为Ta的电阻率温度系数；T为温度(273K～315K)。
可行性分析
分析数学模型(1)，(2)，(3)，要准确计算基-超比，将本申请基-超比测试方法应用于生产基-超比测试中。需要准确测量Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品长度L，Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品截面积S，Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品所处的环境温度T，L米Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的总电阻Rm。选择以下方式进行相关参数测量，计算基-超比。
Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品长度L：用钢板尺测量Ta增强型青铜
Nb3Sn超导线样品长度，精确至1mm；
Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品截面积S：用千分尺测量Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品线径/(长，
宽)，精确至0.001mm；
Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品所处的环境温度T：用lakeshore温度计与其配套温度监视器，精度为30mK或更高；
被测量Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的总电阻Rm，采用四引线法测电阻原理(如图5)测量L米Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的电阻Rm；采用2182纳伏计进行电压采集，纳伏计精度为20nV，Rm的测量精度是20nΩ。
能够测量到参数L,S,T,Rm后，将此四个参数及电阻率带入公式(2)、(3)中计算出β2与β1，将β2与β1及Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品截面积S带入到公式(1)中可计算出Ta增强型青铜Nb3Sn样品的基-超比，本申请方法可行。
有效性证明
取10个Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品，对10个Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品分别进行基-超比的电阻测试法与纸张称重法，比对测试数据见图6，数据见表1；
表1
通过表1，图6可以看出对于Ta增强型青铜Nb3Sn超导线，采用本发明方法与纸张称重法基-超比的测试结果比对误差全部落在4％以内。
实施例
准备的测量工装：
——1米的定长工装；
——外径千分尺；
——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)；
——DT670(温度计)；
样品选择与测试：取Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品1.5米。用本发明方法进行基-超比β测量计算，相关参数测量如下：
——将Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品夹在1米的定长工装上，即长度L＝1000mm；
——用千分尺测量Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的长，宽，得到Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品截面积S＝1.558mm2；
——用DT670温度计及211Temperature monitor(温度监视器)测量环境温度是T＝297.08K；
——用电流源给定1A电流，2000数字多用表采集电流，2182纳伏计采集样品电压，原理采用四引线法测电阻测得Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品电阻Rm＝39.024mΩ。
将温度T＝297.08K带入到公式(4)、(5)、(6)、(7)中得到此温度下的ρCu＝0.0177mΩ*mm、ρX＝0.1659mΩ*mm、ρQ＝0.1854mΩ*mm、ρTa＝0.1133mΩ*mm，将此四个电阻率及Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的测量参数长度L＝1000mm,Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品电阻Rm＝39.024mΩ,Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品截面积S＝1.558mm2,温度T＝297.08K,带入公式(2)、(3)、(1)中，计算出基-超比β＝0.546，采用纸张称重法测量此样品的基-超比是0.555，本发明方法测试的结果与法纸张称重法的测试的结果百分比误差是-1.62％，在4％以内，满足使用需求。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种Ta增强型青铜Nb3Sn超导线基-超比的电阻测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立Ta增强型青铜Nb3Sn超导线基-超比和截面积及体积比的数学模型；
获取Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品；
获取Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的外稳定体无氧铜与超导区加内稳定体Ta的体积比；
获取Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的内稳定体Ta与超导区的体积比；
获取Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的截面积；
根据所述数学模型、截面积以及外稳定体无氧铜与超导区加内稳定体Ta的体积比和内稳定体Ta与超导区的体积比确定所述Ta增强型青铜Nb3Sn超导线基-超比。
2.根据权利要求1所述的一种Ta增强型青铜Nb3Sn超导线基-超比的电阻测量方法，其特征在于：所述数学模型为：
式中，β为Ta增强型青铜Nb3Sn超导线的基-超比，S为Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的截面积，β2为Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的外稳定体无氧铜与超导区加内稳定体Ta的体积比，β1为Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的内稳定体Ta与超导区的体积比。
3.根据权利要求1所述的一种Ta增强型青铜Nb3Sn超导线基-超比的电阻测量方法，其特征在于：所述Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的外稳定体无氧铜与超导区加内稳定体Ta的体积比计算如下式：
式中，ρCu为无氧铜的电阻率，L为Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品电压间距的长度，ρX为超导区(Cu+Nb)加稳定体Ta的整体电阻率，Rm为线材总电阻，S为Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的截面积。
4.根据权利要求1所述的一种Ta增强型青铜Nb3Sn超导线基-超比的电阻测量方法，其特征在于：所述Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品的内稳定体Ta与超导区的体积比计算如下式：
式中，ρTa为内稳定体Ta的电阻率，L为Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品电压间距的长度，ρQ为超导区的电阻率，ρX为超导区(Cu+Nb)加稳定体Ta的整体电阻率。
5.根据权利要求3或4所述的一种Ta增强型青铜Nb3Sn超导线基-超比的电阻测量方法，其特征在于：所述公式(2)和(3)中ρCu、ρX、ρQ及ρTa的具体获得方法包括以下步骤：
步骤1：测量组装Ta增强型青铜Nb3Sn超导线用无氧铜的电阻随温度变化，计算拟合得到ρCu随温度变化关系计算如下式：
ρCu＝ρCu_293K×(l+A1×(T-293)) (4)
式中：ρCu为无氧铜的电阻率(mΩ*mm)；ρCu_293K为无氧铜在293K时的电阻率(mΩ*mm)；A1为无氧铜的电阻率温度系数；T为温度(273K～315K)；
步骤2：取一个已知β1的Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品作为标样，测量Ta增强型青铜Nb3Sn超导线样品无氧铜以内所有组分的电阻Rx随温度变化；计算拟合得到ρX随温度变化关系，计算如下式：
ρx＝ρX_293K×(1+A2×(T-293)) (5)计算拟合超导区的电阻率ρQ随温度变化，计算如下式：
ρQ＝ρQ_293K×(1+A3×(T-293)) (6)
式中：ρX为超导区加内稳定体Ta的整体电阻率(mΩ*mm)；ρX_293K为超导区加Ta整体在293K时的电阻率(mΩ*mm)；A2为超导区加Ta整体的电阻率温度系数；T为温度(273K～315K)；ρQ为超到区的电阻率(mΩ*mm)；ρQ_293K为超到区在293K时的电阻率(mΩ*mm)；A3为超到区电阻率温度系数；
步骤3：测量Ta增强型青铜Nb3Sn超导线组装所用材料Ta电阻随温度变化，计算拟合得到ρTa随温度变化关系，计算如下式：
ρTa＝ρTa_293K×(1+A4×(T-293)) (7)
式中：ρTa为内稳定体Ta的电阻率(mΩ*mm)；ρTa_293K为内稳定体Ta在293K时的电阻率(mΩ*mm)；A4为Ta的电阻率温度系数；T为温度(273K～315K)。
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