一种测量实用长度YBCO高温超导带材临界电流均匀性的方法和装置

摘要

一种实用长度YBCO高温超导带材临界电流均匀性的测量方法，其特征在于YBCO超导带材置于具有磁场梯度的磁场中，直流磁体[1]套在具有尖劈空气隙的铁芯上，尖劈空气隙内产生均匀梯度的磁场，磁场方向垂直于YBCO超导带材表面；当YBCO超导带材匀速通过该尖劈时，切割磁力线，在其超导层内产生涡流，涡流又在超导带材表面产生恒定的磁场，在超导层内感应出的涡流与超导带材的局部临界电流成正比，也与霍尔探头探测到的磁场成正比，霍尔探头2输出信号经过标定后，即为超导带局部临界电流沿长度上的临界电流分布。应用本发明方法的装置，包括带“尖劈”空气隙的铁芯磁体[1]、霍尔探头[2]、收放线盘[7]，收放线定滑轮[8]、步进电机[4]、直流电源[12]、低温装置[10]等部件。

说明书

技术领域

本发明涉及高温超导带材临界电流均匀性的方法和装置，特别涉及实用长度YBCO超导带材局部临界电流均匀性的非接触测量方法和装置。

背景技术

目前，国际上正在采用喷涂工艺生产第二代高温超导(HTS)Y-系超导材料。与第一代Bi系HTS带材相比，第二代Y-系(YBCO)超导带材在生产工艺、成本方面要简单得多。在液氮温区，其超导电性的各向异性比较弱，且在液氮温区附近在较高的磁场下具有比Bi系高温超导材料更好的载流能力。电磁特性、机械特性却比第一代HTS带材高得多，成本却比第一代Bi系HTS带材低很多。制备出高临界电流和实用化的YBCO超导材料将真正使工作于液氮温区的高温超导电力装置的大规模应用成为现实。因此第二代Y-系高温超导带材将取代第一代Bi系高温超导带材。

YBCO超导带材的结构如图1所示。它是多层结构材料，由底向上分别为基底为Ni层，CeO₂或Y₂O₃层，YSZ缓冲层，CeO₂，最上面一层为YBCO层，厚度为微米量级。有时为了保护YBCO层和运行稳定运行，在其上面喷镀一层低电阻率的金或银。YBCO超导带材的生产工艺主要有激光溅射法和喷涂法，其中喷涂法工艺简单，造价低廉，是目前生产长带的有效方法。

现有YBCO高温超导带材的长度超过了200m，横截面尺寸有两种：0.2×10mm²和0.2×4mm²。由于YBCO本生的内禀物理特性，存在弱连接效应，这使得实用长度(大于100米)高温超导材料的临界电流Ic沿长度方向可能处处不同。然而，实用超导带材的整体特性由整个长度上的性能最差的部分确定，临界电流分布是其中最重要的特性之一。实用YBCO超导带材的临界电流Ic沿长度上的分布是高温超导应用的重要参量，也是衡量超导带材质量的重要指标。

传统的测量超导线/带材临界电流的方法是采用传统的四引线法，测量超导线/带材电流电压曲线，以1μV/cm为判据来确定该超导线的临界电流。如图2所示为标准的四引线法测量示意图，图3为四引线法测得的电流电压曲线以1μV/cm为判据确定的临界电流I_c的定义方法。图3中，垂直线为理想的超导线电流电压曲线，而另一条则为实际超导带材的电流电压曲线。

四引线方法测量临界电流，在带材需要测量的部分需要焊接或者夹接电压引线；很容易对YBCO带材造成损伤。同时，对于100m以上实用长带的局部临界电流测量也不现实。另外，在实用长度上，电压引线间距选择多长间隔也是问题：选的太长，达不到测量局部临界电流的目的；选的太短如10mm以下，四引线法很难实现。

而且测量速度极慢，耗时太长，不可能满足生产者或用户的需求。同时测量空间精度和分辩率低，不能够满足超导带材的应用。

其它测量超导带材各部分临界电流均匀性的方式是非接触方法—剩余磁场法。有两种方法，一种是以直流磁场为背场，超导带材处于临界温度之下，通过背景磁场；由于超导材料的磁通订扎作用，背景场磁通会被超导体订扎中心束缚。当超导带材离开直流背场后，虽然背景磁场为零，超导体仍然束缚磁通即剩磁。剩磁的大小与超导体内钉扎力成正比，而钉扎力是超导体本身的内禀特性，与超导体临界电流成正比。所以剩余磁通与超导体临界电流成正比。因此，利用霍尔探头测量出超导体剩余磁场，就可以通过标定后，得到临界电流。这种非接触连续测量方法，简单，精读高，可达2-3mm，完全能够满足实用多芯超导长带的均匀性测量的需要，因为在复合多芯间存在有阻正常金属，不能形成无阻超导环流，但对于YBCO涂层超导带材并不适用。

另一种非接触测量方法是将超导带材通过交流磁场背场，交流频率小于10Hz，检测外加交变磁场的变化。当外加磁场的值过零点时(正弦或余弦波形)，测量超导带材的剩余磁场，该剩余磁场与临界电流成正比，所以经过标定后，同样也可以得到超导带材临界电流的分布。这种方法适用于多芯或者单芯超导带材的临界电流分布测量。其缺点是：由于加交流背场，如果频率过高会在超导基材内感应出涡流，使噪声信号较大，测量精读下降。为了避免涡流的影响，选择交流背场频率应该越低越好，但一方面10Hz以下电流源频率很难稳定；另一方面也会使测量速度极大地降低。

其它方面，这种测量技术实用的电路及设备比较复杂，价格昂贵。必须实用锁相放大技术，来抑制环境交流噪声信号。所以测量精度难以保证。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术测量速度慢、精度低的缺点，提供一种简单、快速、成本低、精度高，适合于第二代YBCO高温超导带材临界电流非接触测量方法和装置。

本发明的测量方法采用感应非接触方法实现超YBCO超导带材临界电流均匀性的测量。YBCO超导带材置于具有磁场梯度的磁场环境中，磁场由直流磁体产生，直流磁体套在具有“尖劈”形空气隙的铁芯上，“尖劈”形空气隙内产生均匀梯度的磁场，磁场方向垂直于YBCO超导带材表面。当YBCO超导带材匀速通过该“尖劈”形空气隙时，切割磁力线，在带材的超导层(YBCO层)内产生涡流，由于超导体的无阻特性，在超导层内感应的涡流不会发生衰减，因此在梯度场外，涡流反过来在带材表面产生恒定的磁场，利用霍尔探头可以探测到带材表面的磁场。感应出的涡流与超导带材的局部临界电流成正比，因此也与霍尔探头探测到的磁场成正比，经过标定后可以实现YBCO超导带材的局部临界电流分布，即临界电流的均匀性。霍尔探头的尺寸即为这种测量方法的最小分辩率。本发明的测量方法、测量设备简单、成本低廉，对于第二代YBCO超导带材的生产和应用具有重要价值。

本发明测量方法的原理分析如下：

当超导代经过具有恒定磁场梯度的空间时，由于超导带材切割磁力线，就会在YBCO薄膜内感应出涡流电压V，见公式(1)，从而在超导体内感应出涡流，见公式(2)。涡流的大小，即感应出的涡流能力与超导体的临界电流成正比。由于超导体是无阻的，所以感应电流一旦出现，会不衰减的存在下去。反过来涡流又会在超导层表面产生磁场Be，见公式(3)。这样在磁场区域之外，只要测量到涡流产生的磁场Be，就可以经过标定后，获得临界电流的分布。

$>>V>\propto >>dB>dt>>=>>dB>dx>>>dx>dt>>=>\alpha u>.>.>.>>(>1>)>>>s>$

α＝dB/dx尖劈的磁场梯度(常数)，u为YBCO带材经过尖劈(磁斧)的速度。

                I_e∝V∝αu                                     (2)

                B_e∝I_e∝αu                                   (3)

这里Be是涡流产生的、由霍尔探头(阵列)测到的磁场。与磁场梯度、带材运动速度成正比。因此测量速度很快。

应用本发明方法的测量装置包括直流线圈、带“尖劈”形空气隙(空气间隙越小，磁场梯度越来越大，最大值出现在空气间隙最小的位置，所以这种结构又称“磁斧”)的铁芯，低温容器、霍尔探头、直流电源、数字电压表、步进电机、收线盘、放线盘、放线定滑轮、收线定滑轮、低温冷却介质、系统控制、数据采集与处理系统。其中带空气“尖劈”的铁芯、霍尔探头、放线定滑轮、收线定滑轮、低温冷却介质置于低温容器中。直流电源、数字电压表、步进电机、收线盘、放线盘、系统控制、数据采集与处理系统工作于室温。

本发明采用带铁芯的直流磁体，铁芯开有尖劈形空气间隙，在“尖劈”空隙内，由于空气磁阻比铁芯大万倍以上，所以空气间隙越大，磁场(强度B)越低。因此，我们把这种磁体结构称为“尖劈”。如果采用常规线圈，为了减少线圈产生的热量消耗低温冷却介质，最好将线圈置于上铁厄之上处于室温环境中。

在“尖劈”空间内，空气隙越小，磁场越强。当线圈通以直流电流时，产生磁场，磁通大部分经过铁芯。由于磁通必须闭合，在尖劈内磁场形成梯度。如果尖劈足够陡，空气间隙越小，磁场梯度越大。

附图说明

图1 YBCO高温超导带材的结构示意图；

图2 传统的四引线法测量电路；

图3 超导带材临界电流的定义方法；

图4 本发明测量装置组成示意框图；图中：

1带铁芯的直流磁体，2霍尔探头(阵列)：3 YBCO带材，4步进电机，5收线盘，6放线盘，7放线定滑轮，8收线定滑轮，9低温冷却介质，10低温容器，11数字电压表，12直流磁体电源，13系统控制、数据采集、处理系统。

图5带“尖劈”形空气隙铁芯的磁体系统正视剖面图；

图6带“尖劈”形空气隙铁芯的磁体系统侧视图。

具体实施方式

如图4所示，应用本发明方法的装置包括带铁芯的直流磁体1，霍尔探头(阵列)2，超导带材料3，步进电机4，收线盘5，放线盘6，放线定滑轮7，收线定滑轮8，低温冷却介质9，低温容器10，数字电压表11，直流磁体电源12，系统控制、数据采集及处理系统13。其中磁体直流电源12，用于驱动收线盘的步进电机4，收线盘5，放线盘6，数字电压表11，控制、数据采集及处理系统13置于室温环境。电源12直接与带铁芯“尖劈”的直流磁体1相连；数字电压表11与霍尔探头(阵列)2相连，测量霍尔探头的输出电压。步进电机4驱动收线盘5，使超导线由放线盘6经过放线定滑轮7，穿过磁体1，经过放线定滑轮8，再到收线轮5，形成连续超导线的运动。电源12，数字电压表11，驱动步进电机4，均由数字采集，控制及处理系统13控制。放线定滑轮7，收线定滑轮8，低温冷却介质9，带“尖劈”形铁芯空气隙部分置于低温容器10中，保证在测量过程中超导带材始终处于超导态。霍尔探头12放在靠近直流磁体1“尖劈”外测(左侧)，并置于超导带材正上方2-5mm处。为了避免超导带的损伤，放线定滑轮7和收线定滑轮8以聚四氟材料加工，保证再低温下变形小，转动自由；另外放线定滑轮7和收线定滑轮8结构完全相同，其切向与铁芯“尖劈”中心处于同一水平直线上。直流磁体1可以直接绕在铁芯柱上，铁芯开有尖劈形空气间隙；磁体可以为超导线圈或常规铜线圈，采用常规线圈时，线圈置于上铁厄之上处于室温环境中，还可以减小低温介质的消耗。

图5是带”尖劈”形空气隙铁芯的磁体系统正视剖面图。带“尖劈”形空气隙铁芯的磁体系统侧视图如图6所示。超导带由左至右以一定速度水平通过铁芯尖劈时，切割尖劈中磁力线，尖劈中磁场有固定的磁场梯度；由于铁芯磁导率是空气的万倍以上，空气磁阻比铁芯磁阻大万倍以上，直流磁体1产生的磁场大部分经过铁芯；所以在铁芯左侧霍尔探头2位置处所探测到的磁场为超导带上涡流所产生的磁场。霍尔探头2输出信号经过标定后，即为超导带局部临界电流的分布。

对于实用长度的超导带材，步进电机驱动收线盘5，可以使超导带材在检测过程中连续进行，由控制、数据采集及处理系统13控制。5，6分别为室温下超导带材的放线盘和收线盘，放线盘5上是没有检测的带材部分，收线盘6上是已经检测的带材部分。7，8分别为放线和收线定滑轮；由于两者工作于低温环境，放线定滑轮7和收线定滑轮8使用聚四氟材料，保证滑轮安全、自由转动，不会损伤超导材料。测量开始前，将要检测的超导线/带放于放线盘5上，然后通过引导经过放线定滑轮7，收线定滑论8，绕于收线盘5上。低温冷却介质9可以为液氮或液氦。低温容器10为不锈钢杜瓦。数字电压表11测量带铁芯线圈的电流，以控制间隙磁场的大小。测量、处理、监测系统13，控制直流电源12、电机等所有部件。通过步进电机驱动收线盘，可以实现测量任意长度的实用超导带材临界电流均匀性的目的。该装置测试精度依赖于霍尔探头的尺寸，宽度不会大于3mm，本系统测量精度为3mm。

本装置结构简单、紧凑，操作方便，制造成本低廉，使用简便，是超导应用和生产企业检测的理想设备装置。