测量超导线圈失超传播速度的装置及其测量方法

摘要

本发明测量超导线圈失超传播速度的装置，通过背场超导磁体(4)实现一定的背景磁场，利用制冷机(2)和低温液体提供两种低温工作环境。被测超导线圈(5)安装在低温容器(8)内。被测超导线圈(5)包括被测超导线圈疏绕部分(15)和被测超导线圈密绕部分(16)，分别用于测量被测超导线圈(5)沿导线方向上的失超传播速度和沿径向方向上的失超传播速度。本装置可实现超导线圈在二维方向上失超传播速度的测量，测量精确。

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。

本发明被测超导线圈包括被测超导线圈疏绕部分和被测超导线圈密绕部分，在被测超导线圈疏绕部分和被测超导线圈密绕部分之间的导线上缠绕加热丝。加热丝为锰铜丝，电阻为10-50欧姆。加热丝由脉冲电流源供电。被测超导线圈连接一对被测超导线圈电流引线，由直流电源供电。在被测超导线圈疏绕部分的导线上焊接有一对疏绕部分测量引线一和一对疏绕部分测量引线二；在被测超导线圈密绕部分的导线上焊接有一对密绕部分测量引线一和一对密绕部分测量引线二。疏绕部分测量引线一和疏绕部分测量引线二沿导线方向的间距为L₁，每对疏绕部分测量引线的两个引线沿导线方向上的距离均为L₂。密绕部分测量引线一和密绕部分测量引线二沿导线方向上的间距为S。每对疏绕部分测量引线的两个引线沿导线方向上的距离均为d。被测超导线圈的导线直径或宽度为d。通过被测超导线圈的两对疏绕部分测量引线测量沿导线长度方向上的失超传播速度，通过被测超导线圈的两对密绕部分测量引线测量沿导线径向方向上的失超传播速度。

本发明为更准确测量沿导线径向方向上的失超传播速度，被测超导线圈直径大于被测超导线圈的导线直径的40-60倍。被测超导线圈外围包裹低温环氧胶以保持超导线圈的绝热效果，低温环氧胶的厚度为5-10mm。

本发明被测超导线圈的两对疏绕部分测量引线和两对密绕部分测量引线连接多通道数据采集仪，通过多通道数据采集仪测量每对测量引线每时刻的电压大小。与加热丝相邻的一对疏绕部分测量引线产生的0.5倍最大电压的时间与另一对疏绕部分测量引线产生的0.5倍最大电压的时间的差值记为t1。与加热丝相邻的一对密绕部分测量引线产生的0.5倍最大电压的时间与另一对密绕部分测量引线产生的0.5倍最大电压的时间的差值记为t2。

本发明测量方法步骤顺序是：

1.首先给背景超导磁体通电形成一定大小的背景磁场，在背景磁场下给被测超导线圈通电，电流大小等于0.8-0.95倍超导线(带)材的临界电流值；

2.给加热丝通电，当产生一定热量后触发被测超导线圈失超；

3.通过多通道数据采集仪进行电压测量，记录下疏绕部分测量引线一和疏绕部分测量引线二分别产生的0.5倍最大电压的时间，将两个时间差记t1。另外记录下两对密绕部分测量引线分别产生的0.5倍最大电压的时间，将两个时间差记为t2；

4.通过疏绕部分测量引线一和疏绕部分测量引线二测量得到沿导线方向上的被测超导线圈的失超传播速度为(L1+L2)/t1，通过密绕部分测量引线一和密绕部分测量引线二测量得到沿导线径向方向上的被测超导线圈(5)的失超传播速度为(2d+S)/t2。

本测量装置带有制冷机制冷，可实现一定大小的背景磁场，也可实现真空低温环境和低温液体浸泡环境下测量高温超导线圈或低温超导线圈。不仅能测量导线方向上的失超传播速度，也可测量导线径向方向的失超传播速度，测量较为精确。

附图说明

图1测量装置示意图，图中：1杜瓦容器，2制冷机，3环氧拉杆，4背场超导磁体，5被测超导线圈，6导冷带，7背场超导磁体电流引线，8低温容器，9低温环氧胶，10加热丝，11输液管，12回气管，13被测超导线圈电流引线，14被测超导线圈测量引线；

图2被测超导线圈示意图，图中：15被测超导线圈疏绕部分，16被测超导线圈密绕部分，17疏绕部分测量引线一，18疏绕部分测量引线二，19密绕部分测量引线一，20密绕部分测量引线二，21被测超导线圈电源，22多通道数据采集仪。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，杜瓦容器1的上盖板安装制冷机2，背场超导磁体4通过环氧拉杆3与上盖板连接，背场超导磁体4通过导冷带6与制冷机2的一级冷头连接。低温容器8与制冷剂2下端连接，被测超导线圈5安装在低温容器8内，被测超导线圈5的外表涂有低温环氧胶9，厚度为5-10mm。若被测超导线圈5工作时在真空环境中，可通过制冷机2制冷使低温容器8内达到所需要的低温。若被测超导线圈5工作时浸泡在低温液体环境中，可通过输液管11向低温容器输入低温液体。如果被测超导线圈5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5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12排出。输液管11和回气管12在低温容器8上端对称布置，与低温容器8上盖板连接。低温容器的上盖板上接有被测超导线圈电流引线13和被测超导线圈测量引线14。杜瓦容器1抽真空后，开启制冷机2，当达到所需工作温度环境时，通过背场超导磁体电流引线7给背场超导磁体4通电提供所需的背景磁场，然后再通过被测超导线圈电流引线13给被测超导线圈5通电，通过脉冲电流源给加热丝10通脉冲电流，产生一定的热量触发被测超导线圈5失超后，利用背场超导线圈测量引线14传输回的数据即可量在1-5T大小的背景磁场下的被测超导线圈5的失超传播速度。

如图2所示，被测超导线圈5包括被测超导线圈疏绕部分15和被测超导线圈密绕部分16，在被测超导线圈疏绕部分15和被测超导线圈密绕部分16之间的导线上缠绕加热丝10。加热丝10为锰铜丝，电阻为10-50欧姆。加热丝10由脉冲电流源供电。被测超导线圈5连接被测超导线圈电流引线13，由被测超导线圈电源21供电。在被测超导线圈疏绕部分15的导线上沿导线方向的间距为L₁焊接两对疏绕部分测量引线，分别为疏绕部分测量引线一17和疏绕部分测量引线二18，每对疏绕部分测量引线沿导线方向上的距离为L₂。在被测超导线圈密绕部分16沿相邻紧贴的两匝导线上焊接密绕部分测量引线，密绕部分测量引线共两对，分别为密绕部分测量引线一19和密绕部分测量引线二20，两对密绕部分测量引线沿导线方向上的距离为S。被测超导线圈5的导线直径或宽度为d。通过被测超导线圈5的两对疏绕部分测量引线测量沿导线长度方向上的失超传播速度，通过被测超导线圈5的两对密绕部分测量引线测量沿导线径向方向上的失超传播速度。

由于沿导线方向上的失超传播速度远大于沿导线径向方向上的失超传播速度，因此为更准确测量沿导线径向方向上的失超传播速度，被测超导线圈5直径大于被测超导线圈5的导线直径的40-60倍。

疏绕部分测量引线一17和疏绕部分测量引线二18，密绕部分测量引线一19和密绕部分测量引线二20均与多通道数据采集仪22连接，多通道数据采集仪22可以为keithley2182电压表或者NI公司的数据采集卡，通过多通道数据采集仪22测量每对测量引线每时刻的电压大小。与加热丝10相邻的一对疏绕部分测量引线二18产生的0.5倍最大电压的时间与另一对疏绕部分测量引线一17产生的0.5倍最大电压的时间的差值记为t1。与加热丝10相邻的一对密绕部分测量引线一19产生的0.5倍最大电压的时间与另一对密绕部分测量引线二20产生的0.5倍最大电压的时间的差值记为t2。那么沿导线方向上的被测超导线圈5的失超传播速度为(L₁+L₂)/t1，沿导线径向方向上的被测超导线圈5的失超传播速度为(2d+S)/t2。

本发明测量方法是首先在背景磁场下给被测超导线圈5通电，电流大小等于0.8～0.95倍超导线(带)材的临界电流值。给加热丝10通脉冲电流，当产生一定热量后触发被测超导线圈5失超，通过多通道数据采集仪22进行电压测量，记录下疏绕部分测量引线一17和疏绕部分测量引线二18分别产生的0.5倍最大电压的时间，将两个时间差记t1。另外记录下密绕部分测量引线一19和密绕部分测量引线二20分别产生的0.5倍最大电压的时间，将两个时间差记为t2。那么测量得到的沿导线方向上的被测超导线圈的失超传播速度为(L₁+L₂)/t1，沿导线径向方向上的被测超导线圈的失超传播速度为(2d+S)/t2。