[发明专利]一种CICC型RRPNb3Sn超导线圈的热处理工艺技术

说明书

技术领域

本发明涉及一种CICC型RRP Nb₃Sn超导线圈的热处理工艺技术，具体的是采用RRP（Restack-Rod Process）Nb₃Sn超导股线制成CICC导体（Cable-in-Conduit Conductor,管状电缆超导体）连续绕制而成超导线圈的热处理工艺技术。

背景技术

国内最高稳态磁场装置—40T级混合磁体采用了产生33-34T中心场强内插水冷磁体和提供中心场强11T外超导磁体组合的技术方案，其外超导磁体由A、B、C和D线圈组合而成，各线圈由CICC导体绕制而成。CICC导体是一种把多级扭绞的超导电缆穿入不锈钢管道内的结构方式，它具有良好的自支撑、较低的交流损耗、所含低温冷却介质少以及超导股线与氦能够得到充分的换热等优点，是目前大型超导磁体中导体设计首选方案。为了减少超导接头的数量，外超导磁体中各超导线圈采用CICC导体连续绕制技术，即由一根CICC导体连续绕制而成，导体的两端将伸出作为进/出电流的引线。CICC导体内的冷却采用4.5K超临界氦进行迫流冷却，为了减少压降（即减少导体内部液氦的管路的长度）一般在超导线圈的外表面导体上开凿若干孔以安装液氦短管，这样可把由一根导体绕制的线圈分成若干段并联的液氦管路且长度不超过200m。

通常磁场强度超过10T以上的低温超导磁体需要使用Nb₃Sn超导材料。40T级混合磁体外超导磁体所有线圈采用的是一种RRP Nb₃Sn超导股线，它是采用内锡法工艺生产的高临界参数股线，用它制成CICC导体绕成的线圈需经过最高温度为640℃固态扩散反应热处理工艺，使得Nb-Sn合金组分生成超导Nb₃Sn化合物。

CICC型RRPNb₃Sn超导线圈的性能参数，如：临界电流密度（Jc）、临界磁场与温度（Bc与Tc）、RRR值以及n值等都与热处理工艺有关，对Nb₃Sn超导线圈的性能有影响的热处理工艺参数也有多个，其中热处理最高反应温度和持续的时间对Nb₃Sn的形成和磁体超导性能的影响最为显著。CICC型RRP Nb₃Sn超导线圈热处理环境条件比Nb₃Sn超导股线要复杂得多，一方面，Nb₃Sn超导线圈具有一定的质量和体积，线圈上任何部位的温度均匀性和温度持续的时间决定了线圈整体超导性能的好坏；另一方面，Nb₃Sn超导线圈需要经过时间长达500hr的热处理过程，意外事件的出现，如：热处理系统设备断电或故障等，是不可避免的，这需要在热处理工艺上有补救措施；再者，Nb₃Sn超导线圈中由超导线经多股绞缆后封装在导管内形成的CICC导体，导体的匝间与层间以及线圈的整体都包缠了玻璃丝绝缘材料，它们都要参与整个热处理过程。由于热处理过程中Nb₃Sn超导线圈中CICC导体的温度变化将直接影响到超导磁体热处理后的整体性能，为了能够全面地掌握在热处理过程中超导磁体中Nb₃Sn导体每部分的温度变化情况，在热处理前需要布置若干测温热电偶，所布置的热电偶不但需要能够准确地测量出超导磁体中Nb₃Sn导体上的温度值，而且能够准确地反映出整个超导磁体中Nb₃Sn导体温度分布情况。因此，针对外表面包缠了玻璃丝绝缘材料的Nb₃Sn超导线圈，如何准确地监测超导磁体中Nb₃Sn导体的温度变化情况是热处理工艺过程中的主要关注点。