[发明专利]测量超导线圈失超传播速度的装置及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于测量超导体失超传播速度的装置及其测量方法，特别涉及一种用于测量超导线圈失超传播速度的装置及其测量方法。

背景技术

超导材料和低温技术的不断发展使得超导磁体在电力、医学、工业处理、科学探索及军事领域的应用越来越广泛，高磁场超导磁体科学技术的发展和应用正不断满足我国各项现代化建设的需求，大大提高了各种装备的性能和精度。

超导磁体在设计和制造的过程中，通常采取多种稳定化方法来提高磁体运行的稳定性。但是，由于有磁通跳跃、线圈振动、导线运动、环氧浸渍崩裂、热干扰、电源输出电压纹波等因素的影响，可能导致超导体的局部温度升高而出现正常态区域，即发生失超现象。超导体局部失超后，正常态区域可能收缩逐渐恢复到超导态，也可能继续扩大造成失超传播，这与触发能量、工作条件以及冷却环境密切相关。超导磁体运行时的电流很大，若超导磁体失超将伴随发生过电压和发热等一系列问题，可能会造成磁体绝缘材料的击穿，严重的局部温升则会导致线材绝缘和线圈接头被熔化，从而造成磁体不正常运行甚至烧毁。因此，失超(正常区域)传播的电性能及热性能是超导磁体应用中必须考虑的一个重要问题。失超传播特性主要包括失超传播速度及最小失超能等，是判断超导体稳定性的非常重要的参数，失超传播特性的准确测试为超导磁体的设计以及失超保护控制提供重要的参数依据。

一般来说，高温超导体的失超传播速度为cm/s量级，比低温超导体慢二到三个量级。这主要是由于高温超导材料具有高的热容量及较高的临界温度，在某种程度上高温超导体的稳定性要好于低温超导体的。但另一方面，如果正常区域传播太慢，则超导体局部会形成热点，其热量只在很小的范围内扩散，若失超保护处理不当，磁体因热量没有快速释放而烧毁导致永久性毁坏。因此，无论应用哪种超导材料时，有必要测量超导材料的失超传播速度，即局部正常区域的焦耳热沿线(带)材的传播速度。只有对所用超导材料的失超行为有足够的了解，掌握超导体的失超传播特性，才能为超导磁体稳定性设计和失超检测及保护奠定坚实的保障，提高超导磁体运行的稳定性和安全性。

高磁场超导磁体运行的稳定性是超导科学仪器使用的一个重要的、不可缺少的工程指标，而超导体的失超传播速度是决定超导磁体稳定性的重要因素之一。因此，需要通过特定测试装置精确测量获得超导体的失超传播速度和最小失超能大小。目前公开的测量失超传播速度的装置和方法大多为测量一段超导线(带)材样品，并且只是测量沿导线方向上的一维失超传播速度。而实际应用中超导线(带)材均要绕制成超导线圈形成超导磁体，失超传播除了沿超导线(带)材的导线方向传播外，还沿着线(带)材的径(横)向方向传播。因此只有模拟实际超导线圈在背场下进行二维方向上甚至三维方向上的失超传播速度的测量，才能更精确分析超导磁体的失超传播特性。

发明内容

本发明的目的是克服现有测量装置多为测量零场下一段超导线或带材的短样、只能测量沿导线方向上的一维失超传播速度的缺点，提供一种失超传播速度的测量装置，该装置带有制冷机制冷，可测量在背景磁场下的超导线圈在二维方向上的失超传播速度。该装置不仅能够满足测量各种超导线圈在背景磁场下的失超传播速度大小，而且可实现直接传导冷却和低温液体浸泡冷却两种低温工作环境，失超传播速度测量更加准确。

本发明测量超导线圈失超传播速度的装置包括杜瓦容器、制冷机、背场超导磁体、被测超导线圈、低温容器、加热丝、电流引线、测量引线、导冷带、输液管、回气管和环氧拉杆。

本发明杜瓦容器内安装背场超导磁体，背场超导磁体为高温超导磁体，背场超导磁体通过导冷带由制冷机一级冷头制冷，背场超导磁体可作为低温容器的冷屏，减少了测量装置的冷屏的制作和安装。杜瓦容器的上端面中心位置安装制冷机，背场超导磁体顶部通过环氧拉杆与杜瓦容器的上端面连接，通过背场超导磁体的电流引线给背场超导磁体供电产生所需的背景磁场，磁场强度可达1-5T。

本发明低温容器连接在制冷机二级冷头的下端，被测超导线圈安装在低温容器内部。若被测超导线圈工作时在真空环境中，可通过制冷机制冷使低温容器内达到所需要的低温。若被测超导线圈工作时浸泡在低温液体环境中，可通过输液管向低温容器输入低温液体。如果被测超导线圈为高温超导线圈则向低温容器输入液氮，如果被测超导线圈为低温超导线圈则向低温容器输入液氦，液体蒸汽通过回气管排出。输液管和回气管在低温容器上端对称布置，与低温容器上盖板连接。低温容器的上盖板上还接有被测超导线圈电流引线和被测超导线圈测量引线。