[发明专利]一种青铜工艺Nb3Sn超导体多芯线接头及其制备方法

说明书

本申请是发明名称为《一种青铜工艺Nb₃Sn超导体多芯线接头及其制备方法》(申请号：201010221920.8，申请日：2010年6月30日)发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种青铜工艺Nb₃Sn超导体多芯线接头及其制备方法。

背景技术

Nb₃Sn材料在18K低温条件下，显示出良好的超导电特性。它的临界转变温度高于NbTi超导体材料，特别适合用于高磁场超导磁体的建造。

按照线材结构不同，制备Nb₃Sn超导线的方法主要分为青铜工艺和内锡法两种。青铜工艺的线材为青铜-Nb丝多芯机械复合结构。内锡法线材为多Cu/Nb复合管内插Sn丝的机械复合结构。以上两种线材均需要在适当温度下进行热处理，通过固态扩散生成具备超导电性的Nb₃Sn化合物层，具有超导性能。青铜工艺Nb₃Sn超导体多芯线由于使用稳定、技术成熟的特点，得到广泛使用。青铜工艺Nb₃Sn超导体多芯线在热处理前(青铜-Nb丝多芯机械复合线)的横截面结构示意图如图1所示，其中包括：稳定芯、Nb丝、青铜基体。

Nb₃Sn是A15结构化合物，本身具有较大的脆性，任何变形或碰撞都可能会对超导性能造成损伤。因此在实际工程中利用青铜工艺制备Nb₃Sn超导线圈的过程中，需要首先将青铜-Nb丝多芯机械复合线绕制成符合设计要求的线圈，然后将线圈整体进行热处理，通过固态扩散反应在多芯机械复合线中生成具备超导电性的Nb₃Sn化合物，从而得到具有超导性能的Nb₃Sn超导线圈。反应后不能再改变超导线的绕向，避免发生Nb₃Sn超导线的脆断或损伤，伤害超导性能。

在超导磁体线圈的建造过程中，超导线的焊接是关键技术之一。单根超导线的长度是有限的，而绕制一个大型超导磁体往往需要几十至几百千米的超导线，在这种情况下必须将多根超导线焊接起来保证所需的长度。同时，制造多线圈组成的超导磁体时，线圈之间的连接需要通过线圈端部导线的焊接来完成。类似地，制造由多个超导磁体组成地超导磁体系统时，如果要求将各个磁体串联起来由单一电源供电，也需要将各个磁体端部首尾串联焊接。与各个磁体单独供电的方式相比，单一供电方式能使磁体系统具备更高的工作可靠性。另外，如果超导磁体要闭环运行，还需要将磁体或磁体系统的两端与超导开关连接起来形成闭合回路。

在大型超导磁体建造中，超导线的绕制和超导线之间的连接是同时进行的。接头制作的工艺质量直接影响到工程的进度。另外，大型磁体的许多接头在磁体内部，不能对其进行拆卸检测和再修复，任何一个接头的质量不好都将影响整个磁体的性能，甚至可能使整个磁体报废。因此，在大型磁体制造中接头必须具有很高的可靠性。对于一般的组合磁体或磁体系统，虽然接头可以放在比较容易接触的地方，但是由于整个磁体需要工作在封闭的低温环境下，因而对接头进行经常性检测和修复也是不现实的。因此必须保证接头质量的高可靠性。对于闭环运行的超导磁体来说，接头的性能还直接决定了磁体的工作性能和持续运行时间。

对超导线接头的基本要求一方面是接头必须要有较低的电阻。超导磁体的工作电流一般达到上百甚至上千安培量级，电阻太大会引起严重的焦耳热损耗，可能导致磁体失超。对于闭环运行的超导磁体，接头电阻导致了磁场的衰减。如果要求磁场的稳定度达到某一水平，则要求接头的电阻必须小于某一定的量值，例如对于NMR磁体系统，一般需要超导接头的电阻不高于10^-12欧姆。另一方面是必须具有一定的机械强度和韧性来承受磁体绕制过程中的弯曲应力、工作状态下的电磁应力、和冷却过程中受到的收缩应力。

目前关于Nb₃Sn超导线接头的制作方法，根据制作接头和热处理的先后关系主要可以分为两类：一类在超导线热处理前制作接头，另一类是在超导线热处理后制作接头。