超导导线间具有超低电阻的接头以及制造该接头的方法

摘要

本发明公开了第一和第二超导导线(7)之间的接头，导线各自包含数根细丝(4)，细丝各自含有在各自护套(2)内的超导芯(1)，其中，所述护套(2)含铌(Nb)并且细丝(4)被包埋在基体(3)中。该接头本身具有一定的由除去基体(3)而露出的细丝的长度(20)；在这一定的长度范围内，护套(2)为铌-锡(Nb3Sn)；并且提供从第一导线(7)的细丝(4)的超导芯(1)、通过细丝(4)的Nb3Sn护套(2)至第二导线(7)中的超导芯(1)之间的超导路径。本发明也提供制造这种接头的方法。

说明书

发明领域

本发明涉及将超导导线连接在一起的方法，以及可由此类方法制得的接头(joint)。

背景技术

当由超导导线制造如电磁体这样的设备时，通常要求将单独的导线长度连接在一起。如果必需在“持久化模式”下运行，为了保持设备的超导性，接头处也必须是超导的，或至少显示出非常低的电阻。通常情况下，需要约为10^-13欧姆的接头电阻来启用这种运行模式。在“持久化模式”下运行是非常可取的，因为在初始通电后，这已经实现了电源供应的分配。

超导材料的近期发展已带动二硼化镁MgB₂作为超导材料使用。二硼化镁MgB₂的优势是，其在较高的温度下能比更常规的材料表现出超导性，这避免了需要将超导体冷却到很低的温度。然而，该材料本身是脆性的，并且难以将其连接以形成持续的接头。

图1示出了典型的MgB₂-芯超导体10的剖示图。超导细丝4包含基本上以颗粒状、粉末状的形式保持在铌金属护套2内的MgB₂-芯1。这些MgB₂填充的铌护套进一步被包裹在高强度的、导电的金属或合金(例如被称为“MONEL”的Cu-Ni合金)基体3中。基体3和细丝4构成超导导线7。铌2的目的是防止在导线制造过程中MgB₂和基体材料之间发生不需要的反应。

在一种制造方法中，将颗粒状或粉末状的MgB₂置于基体材料坯(a billetof materix material)的铌内层的钻孔中，被称为非原位过程(ex-situ process)。然后，完整的坯被拉成最终所需的导线直径。铌加套(Niobium-cased)的超导细丝在拉丝过程中成形并被压实。

基体3配备有导电的分流器和散热片(thermal sink)。如有任何超导丝4骤冷，则热量会通过基体3被带离骤冷区域，并且电流将流经基体所提供的较低的电阻。这将使细丝的骤冷部分冷却到超导状态。基体也使得超导导线机械上更为坚固。

导体10通常还包括稳定导槽5(channel)。该稳定导槽5可以是铜或其它材料的，或者是组合材料的。该导槽应是能导电和导热的。在图示的例子中，导线7被焊接6到导槽5的空腔中。导槽5以参照基体3所阐释的相同的方式，进一步地增强了超导导线7的电和热稳定性，以及机械坚固性。

为了制造超导接头，两种常规的方法已被采纳：第一，可以在待连接的导线的MgB₂芯1之间直接形成接头。或者，使用另一种材料在超导装置中将导线的MgB₂芯1电连接在一起，该材料在导线的运行温度下也是超导的。通常情况下，已知的连接方法涉及暴露出待连接的超导导线的MgB₂芯，并且将暴露出的相应导线的MgB₂颗粒机械性地挤压在一起，以形成超导接头。在一些已知的设置中，会将如超导材料的中间层，通常为金属(例如铟)置于相应导线暴露出的芯之间，以增加接触面的面积和提高相应导线颗粒之间的机械密合性。这些方法都要求对MgB₂颗粒施加大的机械负荷。MgB₂颗粒相对来说是脆性的，施加这样的大机械负荷有压裂MgB₂超导材料的风险，会导致超导接头故障。

在一些已知方法中，例如在通过MgB₂粉末或镁和硼的粉末之间的反应来连接时，MgB₂颗粒被暴露出来并被加热。如果将MgB₂颗粒暴露，就有被氧化的风险。在将接头设置在超导装置(如低温容器内的磁铁)中之后，故障可能会发生在连接过程后的一段时间。由于存在使接头与设置在低温容器和/或真空容器等中的超导装置接触的接触问题，修复这样的故障是非常昂贵和耗时的。因此，本发明的一个目的是提供一种用于连接MgB₂芯超导导线的方法，该方法降低了MgB₂颗粒的机械损伤或氧化的风险。

然而，基于MgB₂的超导导线之间的常规接头的测试已经表明，磁场容差值(magnetic field tolerance value)比预期的差。这被认为是由于实际发生的传导是通过护套2的铌的，而非通过对应导线的MgB₂颗粒之间的超导接头。铌是一种“第二类”超导体，但相比于其它第二类超导体，如铌钛合金，它具有非常低的高临界磁场强度(upper critical magnetic field strength)B_c2。铌的临界磁场在零点几特斯拉的范围内，其精确值取决于许多因素，最明显的是电流密度。因为非常希望的是用于超导磁铁中的接头应该能够承受相当高的磁场，因此对于电流传输，任何利用铌护套的连接方法可能是没有多大用处的。

在WO2007/128635A1、US2008/0236869A1、US6921865B2和US7152302B2中描述了某些制造超导接头的常规方法。

发明内容

本发明从而提供用于制造有铌护套的超导导线(例如具有MgB₂芯的，或具有NbTi芯的导线)之间的超导接头的方法，以及例如可通过本发明的方法制造的接头，正如在所附的权利要求书中所限定的那样。

附图说明

结合附图，通过以下本发明的某些实施方式的描述，上文所述的以及进一步的目的、特征和本发明的优点将变得更加显而易见。其中：

图1示出了一个典型的有铌护套的MgB₂芯(niobium-sheathed,MgB₂-cored)的超导体的剖视图;

图2示出了处在本发明连接方法的早期阶段的两根超导导线；

图3示出了正在进行的本发明连接方法的后续步骤中的图2的导线；

图4A-4C示出了处在本发明连接方法的各个阶段中的有铌护套的、MgB₂芯的超导细丝的横截面；

图5示出了图4C的局部放大图；

图6示出了处在本发明方法的后一阶段的图2和图3中的导线；

图7示出了在图6中所示的步骤之后的根据本发明的实施方式完成的接头；

图8示出了通过如在图7中所示的根据本发明的接头的局部横截面；

图9示出了在图8中标识为IX的区域放大图；

图10示出了根据本发明的另一个实施方式的用来准备连接的导线；

图11示出了根据本发明的一个实施方式的用来形成超导接头的方法的各个阶段；以及

图12示出了可通过图11示出的方法形成的根据本发明的接头的横截面。

具体实施方式

本发明提供用于连接有铌护套的超导导线的方法和例如可通过这样的方法制备的接头。

根据本发明，将有铌护套的超导细丝4浸泡在液态的锡(Sn)中，使铌护套与锡反应生成Nb₃Sn。按照惯例，在长时间的、高温的反应过程中通过锡扩散进铌细丝中来制备Nb₃Sn超导体细丝。根据本发明，采用类似的过程来连接有铌护套的导线。

Nb₃Sn是一种超导体，其具有比铌(4K时，～0.5T)高得多的磁场容差(4K时，～18T)，以及约为18K的更高的临界温度T_c。Nb₃Sn也具有更大的相干长度(coherence length)，从而使得在反应后的护套和MgB₂超导颗粒或粉末之间电流能无损耗地传输。相干长度显示出可能存在于超导体之间(但超导体之间仍然存在超导性)的间隙的大小。通过具有护套材料(例如具有较大相干长度的Nb₃Sn)可以保持护套材料和包封的MgB₂颗粒之间的超导性。因此，如果超导导线中的铌护套能被转化成Nb₃Sn，接头的磁场容差应该能大幅度地增加，并且在MgB₂颗粒和护套材料之间的传输电流应该能够被提高。

在已知的连接MgB₂芯导线的方法中，据认为大部分电流通过的是护套材料，而不是直接从一根导线的芯到另一根导线的芯。本发明提供了一种特别有利的护套材料，使得这样的电流传输能更有效地运作。

将细丝4的反应后的护套2通过超导材料连接。本发明避免了暴露MgB₂颗粒并且在它们之间建立机械连接的需要。据相信，MgB₂向热的锡暴露，会导致形成不受欢迎的化合物作为污染物。这将降低交界处可获得的品质。

本发明的接头具有相对较高的磁场容差和相对较高的临界温度T_c。根据本发明的方法形成的接头被认为能在被连接的导线的超导细丝之间提供良好的导电和机械的连接；与类似导线间的常规接头相比能提高接头的磁场容差；并且能防止发生机械损伤。

图2示出了本发明连接方法中的前期步骤。将两个待连接的导体12、14从它们的导槽5剥离，在一定的长度范围内暴露出导线7。将扎线(binding)18，例如不锈钢丝，围着两个导体未剥开的区域缠绕，以使它们机械性地固定在一起。为获得进一步的机械稳定性，可将导体12、14的导槽5在未剥开的区域焊接在一起。导线7各自被剥开的区域的特定长度20被以r为半径弯曲。应选择小的半径，但并不是小到要冒降低MgB₂超导体的风险。对于该MgB₂导线，可以优先考虑约为80mm～100mm的半径。优选进行弯曲使得形成的角度θ在45°～90°的范围内。

图3示出了本发明方法的下一阶段，应用固定夹(retaining clip)22将导线7的弯曲部分20固定在稳定的位置。将在弯曲区域中的剥开的导线7浸泡在装有蚀刻剂(etchant)24的槽26中。该蚀刻剂的材料和温度的选择与材料有关，并且涉及拓扑结构(topology)。选择蚀刻剂来去除基体材料3并且暴露出细丝4的护套2。

在一个典型的例子中，基体3为铜合金且护套2为铌。可以发现硝酸蚀刻剂24是合适的，因为它腐蚀铜，但不明显腐蚀铌。

在其它例子中，可以发现在约为300℃的温度下的熔融锡(Sn)是合适的。铜和铜合金容易溶解在热的锡中。这种情况下，锡会同时刻蚀铜基体并且在一个步骤中形成NbSn。

优选使用热锡，以及优选仅对于护套材料使用酸蚀，该材料与热锡的反应不明显或者用锡去除护套材料要花很长时间。

槽26必须选择对于蚀刻剂24是耐腐蚀的。在热锡蚀刻的情况下，槽可以是坩埚。可设置搅拌器28，使蚀刻剂24在导线7以及有护套2的细丝4之间循环。

一旦蚀刻完成，就会进行护套2材料的反应。在坩埚中，该坩埚可以是图3步骤中所使用的坩埚槽，在约为600℃的温度下，将弯曲区域20浸泡在热的锡(Sn)中。通过扩散，护套2中的元素铌(Nb)与热锡(Sn)反应生成超导体：Nb₃Sn。Sn扩散进入Nb的速率高度依赖于熔融的Sn的温度。因此，优选锡的最高可行的温度。可提供惰性气体或真空氛围来防止锡的氧化。

图4A-4C示出了三个横截面视图，每一个视图通过单个有护套2的细丝4示出了反应进程。图4A中，将包围有MgB₂芯1的未反应的Nb护套2浸泡在Sn浴24中。图4B中，护套2已经开始反应，并且护套的外侧部分已转化为Nb₃Sn，而护套的内部仍然是元素Nb。通过扩散反应继续，直到护套2完全转化成Nb₃Sn，如图4C所示。MgB₂芯1保持未反应。

然后，将导线7从坩埚中取出。图5示出了经过了上述步骤中的单根细丝4的局部横截面。MgB₂芯1是未反应的。护套2现在完全为Nb₃Sn，并且由于在坩埚中Sn的浸润，护套上存在薄的Sn涂层。示出了芯中的MgB₂颗粒。因为细丝的制造方法，MgB₂颗粒靠近护套材料：这个距离通常小于Nb₃Sn的相干长度，使得通过护套2的Nb₃Sn材料，在MgB₂芯之间形成持久的超导接头。

图6示出了本发明方法中的进一步步骤。将导线7的弯曲部分20(现在该导线7为在Nb₃Sn护套中包括MgB₂芯)放入另一个坩埚或模28内。或者，如果构造合适的话，可以使用同一个坩埚。将超导铸造材料30，例如伍德合金(Woods metal)或PbBi添加到坩埚或模28中，从而使细丝4的弯曲部分20浸泡在其中。在铸造过程中，可将固定夹22留在原处来协助机械定位。也可将导线7的相邻部件铸造成铸造材料30，以维持成品接头的机械强度。可以使铸造材料冷却和固化。如图7所示，将由此产生的接头40从坩埚或模28中移除。

重要的是，不使细丝的末端32浸泡在蚀刻剂或超导铸造材料中，以防止MgB₂芯的损坏或污染。

图8示出了图7所示接头40的部分横截面。所示每根导线的细丝4仍然组合在一起。细丝4被包埋进超导铸造材料30中。图9示出了图8中注明的IX部分的放大图。将每根细丝4的MgB₂芯1通过超导的Nb₃Sn护套层2和超导铸造材料30，机械地并且导电地连接在一起。图5所示的Sn涂层已经进入超导铸造材料的溶液中。电流i可以流经MgB₂芯1，通过Nb₃Sn护套2、超导铸造材料30的一段距离、另一Nb₃Sn护套2到达另一根细丝4的MgB₂芯。以这种方式，可以实现本发明的超导接头。相比以往涉及机械压缩的连接方法，该方法不需要向超导导线施加机械负荷，从而降低了超导细丝损坏的风险。

根据本发明，这种形成超导接头的方法的变体将参照图10加以讨论。

在该实施方式中，没有必要弯曲导线，并使最终的接头更加密实。

图10示出了待连接的第一导线的一端。已将基体材料(如铜或MONEL)3，例如用酸蚀刻掉，让有Nb护套2的细丝在末端裸露出来。在浸入坩埚中的锡之前，先将细丝的末端42密封。这可以通过基体材料的焊接或机械卷边(mechanical crimping)来实现。

在卷边步骤中，相邻的MgB₂颗粒被碾碎，并且从细丝上掉落，留下一段长度的空护套可通过卷边来密封。或者，通过焊接、铜焊或类似的方式，可使用在600℃下不受锡(Sn)影响的材料来密封细丝的末端。这样密封的目的是防止MgB₂颗粒接触熔融锡。

在图3-7所示的方法中，使导线弯曲以防止护套的开放端浸泡在蚀刻剂、锡以及超导铸造材料中。通过使用图10所示的带有密封端的直导线，也使得护套的开放端受到保护，免于暴露在蚀刻剂或铸造材料中。在坩埚中将图10所示的导线铸造成接头，该坩埚可以远小于图7所示的坩埚：例如，窄缸。多部分模具(multi-part mould)可以用来形成此类接头的模腔，因为，如果将坩埚塑造成窄缸，该坩埚也许难以成形并且在使用中易碎。

按上文所述形成的超导接头被认为适合应用在干磁铁的制造中，其可通过低温制冷器冷却至约为10K的温度。在这样的装置中，优选的是，应将超导接头放置在靠近制冷器的地方，以确保接头有效地冷却。

现在将参照图11和12讨论另一种形成超导接头的方法。这种方法共有引起细丝的铌护套与锡反应生成Nb₃Sn超导护套的特征。然而，所产生的接头是被压接(crimped)在一起，而不是被铸造进超导材料中。

图11(i)示出了待根据本发明的方法连接在一起的两根导线7。已经通过例如卷边、用能抵抗热锡的材料焊接或铜焊的方式将导线的末端密封44。

如图11(ii)所示，在其末端的一定长度范围内剥离基体3。细丝4从而暴露出来。密封件44的材料必须能抵抗任何用于剥离护套材料的蚀刻剂。密封件44防止了MgB₂芯暴露在蚀刻剂中。

将圆柱形金属压接器(crimp)46(例如以铌为内层的铜管)置于细丝周围，如图11(iii)所示。铌内层可以是铜压接器内侧上的涂层，或是包围细丝的铌箔，并随后具有铜压接器置于该铌箔之上。压接器应松紧合适，但不紧迫，以免由于压接器的贴合对细丝造成损坏。然后实施由箭头47示意性地示出的机械压接工序。该工序把压接器的铌内层压至与细丝的铌护套接触，并且把细丝压至彼此互相接触。虽然涉及细丝4的一些机械压缩，但MgB₂芯1保持被Nb护套2包裹在内，与最常规的方法相比，这降低了在机械压缩过程中损坏芯的风险。

图11(iii)(a)示出了在此阶段经过压接的横截面。压接器的外表面48显示了由于压接过程而产生的机械变形50。压接器46的铌内层52是可见的。在压接器内，导线7的细丝4被压在一起形成机械接触。必须对压接过程加以控制，以免损坏细丝的MgB₂芯。在这个阶段，通过铌金属护套2以及压接器的铌内层，将细丝4的MgB₂芯1电连接。

图11(iv)示出了该方法的进一步的阶段。将如图11(iii)和11(iii)(a)所示的被压接的细丝4浸泡在坩埚56内的熔融锡54中。熔融锡的温度约为600℃或更高。该步骤可以在真空中或惰性气体的氛围下进行，以防止大气成分与锡反应。就像参照图4所讨论的那样，将铌护套2浸泡在这样的热锡中通过扩散引起铌和锡反应生成超导铌-锡(Nb₃Sn)。优选地，为使铌护套2完全地转化成Nb₃Sn，该反应要在适合的温度下进行适当的时间，但让铌内层52完全转化成Nb₃Sn不是必需的。

类似于图(iii)(a)的横截面，图12示出了所得的经过压接的接头的横截面。压接器的外表面48显示了由压接过程而产生的机械变形50。压接器46的内层52已转化为Nb₃Sn。在该压接器内，导线7的细丝4的护套2也已转化为Nb₃Sn。它们被压在一起形成机械接触。通过Nb₃Sn护套以及压接器的Nb₃Sn内层，将细丝4的MgB₂芯1电连接。正如上文所讨论的那样，Nb₃Sn成分是超导的，它具有比铌更好的超导特性，例如，其具明显更大的磁场容差(4K时，约为18T)，以及更高的临界温度(约为18K)。Nb₃Sn还具有相对更大的相干长度。除了获得锡涂层以外，浸泡在锡中不影响铜压接器46。

而图12所示的所得结构可以浸泡在熔融的超导填料中，如伍德合金或PbBi，其注入细丝4之间并且填充压接器，优选不包括此类连接材料。由本发明的这种实施方式所提供的在Nb₃Sn护套和Nb₃Sn压接器内层之间的机械和导电接触可足以提供所需的超导接头。预计在无填料的多重Nb₃Sn连接之间所得接头能耐受相对高强度的磁场并在超过10K的温度下保持超导性。这种接头预计在通过热传导冷却、通过在约为10K时运行的低温制冷器制造干磁铁的过程中是有用的。

因此，本发明提供了用于连接超导导线的方法，以及例如可用此类方法制造的接头。本发明涉及在具有铌护套的细丝(例如具有MgB₂芯的超导导线、具有NbTi芯的超导导线)之间的接头，以及有MgB₂芯的导线和有NbTi芯的导线之间的接头。根据本发明，将铌护套浸泡在热的锡(Sn)中，以将铌转化成Nb₃Sn，所述Nb₃Sn相比于铌元素而言是一种优良的超导体。所得Nb₃Sn护套为向MgB₂芯导线引入传输电流而充当高效和有效的导体。相比用于这类导线的常规连接方法，所得接头的磁场容差得到了显著的提高，在所述导线中，认为铌护套运载部分或全部电流通过接头。在接头的形成过程中MgB₂芯不暴露在锡(Sn)中，从而降低了MgB₂芯被污染或氧化的风险。

一些MgB₂芯暴露在热的锡中是可容许的，其前提是锡不会在导线内渗透较长的距离从而接触接头的有效部分。

在本发明的一些实施方式中，多个接头可以在单一的锡加工工艺(tinartefact)中形成。每个接头可以是两根或多跟超导导线的接头。在这些实施方式的变体中，多个接头可以在单一锡加工工艺中形成，并且然后可以将锡加工的制品(tin artefact)隔开，以提供分开的接头。