一種測量實用長度ybco高溫超導帶材臨界電流均勻性的方法和裝置的製作方法
2023-05-20 03:03:26 1
專利名稱：一種測量實用長度ybco高溫超導帶材臨界電流均勻性的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及高溫超導帶材臨界電流均勻性的方法和裝置，特別涉及實用長度YBCO超導帶材局部臨界電流均勻性的非接觸測量方法和裝置。
背景技術：
目前，國際上正在採用噴塗工藝生產第二代高溫超導(HTS)Y-系超導材料。與第一代Bi系HTS帶材相比，第二代Y-系(YBCO)超導帶材在生產工藝、成本方面要簡單得多。在液氮溫區，其超導電性的各向異性比較弱，且在液氮溫區附近在較高的磁場下具有比Bi系高溫超導材料更好的載流能力。電磁特性、機械特性卻比第一代HTS帶材高得多，成本卻比第一代Bi系HTS帶材低很多。製備出高臨界電流和實用化的YBCO超導材料將真正使工作於液氮溫區的高溫超導電力裝置的大規模應用成為現實。因此第二代Y-系高溫超導帶材將取代第一代Bi系高溫超導帶材。
YBCO超導帶材的結構如圖1所示。它是多層結構材料，由底向上分別為基底為Ni層，CeO2或Y2O3層，YSZ緩衝層，CeO2，最上面一層為YBCO層，厚度為微米量級。有時為了保護YBCO層和運行穩定運行，在其上面噴鍍一層低電阻率的金或銀。YBCO超導帶材的生產工藝主要有雷射濺射法和噴塗法，其中噴塗法工藝簡單，造價低廉，是目前生產長帶的有效方法。
現有YBCO高溫超導帶材的長度超過了200m，橫截面尺寸有兩種0.2×10mm2和0.2×4mm2。由於YBCO本生的內稟物理特性，存在弱連接效應，這使得實用長度(大於100米)高溫超導材料的臨界電流Ic沿長度方向可能處處不同。然而，實用超導帶材的整體特性由整個長度上的性能最差的部分確定，臨界電流分布是其中最重要的特性之一。實用YBCO超導帶材的臨界電流Ic沿長度上的分布是高溫超導應用的重要參量，也是衡量超導帶材質量的重要指標。
傳統的測量超導線/帶材臨界電流的方法是採用傳統的四引線法，測量超導線/帶材電流電壓曲線，以1μV/cm為判據來確定該超導線的臨界電流。如圖2所示為標準的四引線法測量示意圖，圖3為四引線法測得的電流電壓曲線以1μV/cm為判據確定的臨界電流Ic的定義方法。圖3中，垂直線為理想的超導線電流電壓曲線，而另一條則為實際超導帶材的電流電壓曲線。
四引線方法測量臨界電流，在帶材需要測量的部分需要焊接或者夾接電壓引線；很容易對YBCO帶材造成損傷。同時，對於100m以上實用長帶的局部臨界電流測量也不現實。另外，在實用長度上，電壓引線間距選擇多長間隔也是問題選的太長，達不到測量局部臨界電流的目的；選的太短如10mm以下，四引線法很難實現。
而且測量速度極慢，耗時太長，不可能滿足生產者或用戶的需求。同時測量空間精度和分辯率低，不能夠滿足超導帶材的應用。
其它測量超導帶材各部分臨界電流均勻性的方式是非接觸方法—剩餘磁場法。有兩種方法，一種是以直流磁場為背場，超導帶材處於臨界溫度之下，通過背景磁場；由於超導材料的磁通訂扎作用，背景場磁通會被超導體訂扎中心束縛。當超導帶材離開直流背場後，雖然背景磁場為零，超導體仍然束縛磁通即剩磁。剩磁的大小與超導體內釘扎力成正比，而釘扎力是超導體本身的內稟特性，與超導體臨界電流成正比。所以剩餘磁通與超導體臨界電流成正比。因此，利用霍爾探頭測量出超導體剩餘磁場，就可以通過標定後，得到臨界電流。這種非接觸連續測量方法，簡單，精讀高，可達2-3mm，完全能夠滿足實用多芯超導長帶的均勻性測量的需要，因為在複合多芯間存在有阻正常金屬，不能形成無阻超導環流，但對於YBCO塗層超導帶材並不適用。
另一種非接觸測量方法是將超導帶材通過交流磁場背場，交流頻率小於10Hz，檢測外加交變磁場的變化。當外加磁場的值過零點時(正弦或餘弦波形)，測量超導帶材的剩餘磁場，該剩餘磁場與臨界電流成正比，所以經過標定後，同樣也可以得到超導帶材臨界電流的分布。這種方法適用於多芯或者單芯超導帶材的臨界電流分布測量。其缺點是由於加交流背場，如果頻率過高會在超導基材內感應出渦流，使噪聲信號較大，測量精讀下降。為了避免渦流的影響，選擇交流背場頻率應該越低越好，但一方面10Hz以下電流源頻率很難穩定；另一方面也會使測量速度極大地降低。
其它方面，這種測量技術實用的電路及設備比較複雜，價格昂貴。必須實用鎖相放大技術，來抑制環境交流噪聲信號。所以測量精度難以保證。
發明內容
本發明的目的是克服現有技術測量速度慢、精度低的缺點，提供一種簡單、快速、成本低、精度高，適合於第二代YBCO高溫超導帶材臨界電流非接觸測量方法和裝置。
本發明的測量方法採用感應非接觸方法實現超YBCO超導帶材臨界電流均勻性的測量。YBCO超導帶材置於具有磁場梯度的磁場環境中，磁場由直流磁體產生，直流磁體套在具有「尖劈」形空氣隙的鐵芯上，「尖劈」形空氣隙內產生均勻梯度的磁場，磁場方向垂直於YBCO超導帶材表面。當YBCO超導帶材勻速通過該「尖劈」形空氣隙時，切割磁力線，在帶材的超導層(YBCO層)內產生渦流，由於超導體的無阻特性，在超導層內感應的渦流不會發生衰減，因此在梯度場外，渦流反過來在帶材表面產生恆定的磁場，利用霍爾探頭可以探測到帶材表面的磁場。感應出的渦流與超導帶材的局部臨界電流成正比，因此也與霍爾探頭探測到的磁場成正比，經過標定後可以實現YBCO超導帶材的局部臨界電流分布，即臨界電流的均勻性。霍爾探頭的尺寸即為這種測量方法的最小分辯率。本發明的測量方法、測量設備簡單、成本低廉，對於第二代YBCO超導帶材的生產和應用具有重要價值。
本發明測量方法的原理分析如下當超導代經過具有恆定磁場梯度的空間時，由於超導帶材切割磁力線，就會在YBCO薄膜內感應出渦流電壓V，見公式(1)，從而在超導體內感應出渦流，見公式(2)。渦流的大小，即感應出的渦流能力與超導體的臨界電流成正比。由於超導體是無阻的，所以感應電流一旦出現，會不衰減的存在下去。反過來渦流又會在超導層表面產生磁場Be，見公式(3)。這樣在磁場區域之外，只要測量到渦流產生的磁場Be，就可以經過標定後，獲得臨界電流的分布。
VdBdt=dBdxdxdt=u...(1)]]>α＝dB/dx尖劈的磁場梯度(常數)，u為YBCO帶材經過尖劈(磁斧)的速度。
Ie∝V∝αu (2)Be∝Ie∝αu (3)這裡Be是渦流產生的、由霍爾探頭(陣列)測到的磁場。與磁場梯度、帶材運動速度成正比。因此測量速度很快。
應用本發明方法的測量裝置包括直流線圈、帶「尖劈」形空氣隙(空氣間隙越小，磁場梯度越來越大，最大值出現在空氣間隙最小的位置，所以這種結構又稱「磁斧」)的鐵芯，低溫容器、霍爾探頭、直流電源、數字電壓表、步進電機、收線盤、放線盤、放線定滑輪、收線定滑輪、低溫冷卻介質、系統控制、數據採集與處理系統。其中帶空氣「尖劈」的鐵芯、霍爾探頭、放線定滑輪、收線定滑輪、低溫冷卻介質置於低溫容器中。直流電源、數字電壓表、步進電機、收線盤、放線盤、系統控制、數據採集與處理系統工作於室溫。
本發明採用帶鐵芯的直流磁體，鐵芯開有尖劈形空氣間隙，在「尖劈」空隙內，由於空氣磁阻比鐵芯大萬倍以上，所以空氣間隙越大，磁場(強度B)越低。因此，我們把這種磁體結構稱為「尖劈」。如果採用常規線圈，為了減少線圈產生的熱量消耗低溫冷卻介質，最好將線圈置於上鐵厄之上處於室溫環境中。
在「尖劈」空間內，空氣隙越小，磁場越強。當線圈通以直流電流時，產生磁場，磁通大部分經過鐵芯。由於磁通必須閉合，在尖劈內磁場形成梯度。如果尖劈足夠陡，空氣間隙越小，磁場梯度越大。
圖1 YBCO高溫超導帶材的結構示意圖；圖2 傳統的四引線法測量電路；圖3 超導帶材臨界電流的定義方法；圖4 本發明測量裝置組成示意框圖；圖中1帶鐵芯的直流磁體，2霍爾探頭(陣列)3 YBCO帶材，4步進電機，5收線盤，6放線盤，7放線定滑輪，8收線定滑輪，9低溫冷卻介質，10低溫容器，11數字電壓表，12直流磁體電源，13系統控制、數據採集、處理系統。
圖5帶「尖劈」形空氣隙鐵芯的磁體系統正視剖面圖；圖6帶「尖劈」形空氣隙鐵芯的磁體系統側視圖。
具體實施例方式
如圖4所示，應用本發明方法的裝置包括帶鐵芯的直流磁體1，霍爾探頭(陣列)2，超導帶材料3，步進電機4，收線盤5，放線盤6，放線定滑輪7，收線定滑輪8，低溫冷卻介質9，低溫容器10，數字電壓表11，直流磁體電源12，系統控制、數據採集及處理系統13。其中磁體直流電源12，用於驅動收線盤的步進電機4，收線盤5，放線盤6，數字電壓表11，控制、數據採集及處理系統13置於室溫環境。電源12直接與帶鐵芯「尖劈」的直流磁體1相連；數字電壓表11與霍爾探頭(陣列)2相連，測量霍爾探頭的輸出電壓。步進電機4驅動收線盤5，使超導線由放線盤6經過放線定滑輪7，穿過磁體1，經過放線定滑輪8，再到收線輪5，形成連續超導線的運動。電源12，數字電壓表11，驅動步進電機4，均由數字採集，控制及處理系統13控制。放線定滑輪7，收線定滑輪8，低溫冷卻介質9，帶「尖劈」形鐵芯空氣隙部分置於低溫容器10中，保證在測量過程中超導帶材始終處於超導態。霍爾探頭12放在靠近直流磁體1「尖劈」外測(左側)，並置於超導帶材正上方2-5mm處。為了避免超導帶的損傷，放線定滑輪7和收線定滑輪8以聚四氟材料加工，保證再低溫下變形小，轉動自由；另外放線定滑輪7和收線定滑輪8結構完全相同，其切向與鐵芯「尖劈」中心處於同一水平直線上。直流磁體1可以直接繞在鐵芯柱上，鐵芯開有尖劈形空氣間隙；磁體可以為超導線圈或常規銅線圈，採用常規線圈時，線圈置於上鐵厄之上處於室溫環境中，還可以減小低溫介質的消耗。
圖5是帶」尖劈」形空氣隙鐵芯的磁體系統正視剖面圖。帶「尖劈」形空氣隙鐵芯的磁體系統側視圖如圖6所示。超導帶由左至右以一定速度水平通過鐵芯尖劈時，切割尖劈中磁力線，尖劈中磁場有固定的磁場梯度；由於鐵芯磁導率是空氣的萬倍以上，空氣磁阻比鐵芯磁阻大萬倍以上，直流磁體1產生的磁場大部分經過鐵芯；所以在鐵芯左側霍爾探頭2位置處所探測到的磁場為超導帶上渦流所產生的磁場。霍爾探頭2輸出信號經過標定後，即為超導帶局部臨界電流的分布。
對於實用長度的超導帶材，步進電機驅動收線盤5，可以使超導帶材在檢測過程中連續進行，由控制、數據採集及處理系統13控制。5，6分別為室溫下超導帶材的放線盤和收線盤，放線盤5上是沒有檢測的帶材部分，收線盤6上是已經檢測的帶材部分。7，8分別為放線和收線定滑輪；由於兩者工作於低溫環境，放線定滑輪7和收線定滑輪8使用聚四氟材料，保證滑輪安全、自由轉動，不會損傷超導材料。測量開始前，將要檢測的超導線/帶放於放線盤5上，然後通過引導經過放線定滑輪7，收線定滑論8，繞於收線盤5上。低溫冷卻介質9可以為液氮或液氦。低溫容器10為不鏽鋼杜瓦。數字電壓表11測量帶鐵芯線圈的電流，以控制間隙磁場的大小。測量、處理、監測系統13，控制直流電源12、電機等所有部件。通過步進電機驅動收線盤，可以實現測量任意長度的實用超導帶材臨界電流均勻性的目的。該裝置測試精度依賴於霍爾探頭的尺寸，寬度不會大於3mm，本系統測量精度為3mm。
本裝置結構簡單、緊湊，操作方便，製造成本低廉，使用簡便，是超導應用和生產企業檢測的理想設備裝置。
權利要求
1.一種測量實用長度YBCO高溫超導帶材臨界電流均勻性的方法，其特徵在於YBCO超導帶材置於由直流磁體[1]產生的，具有磁場梯度的磁場中，直流磁體[1]套在具有「尖劈」形空氣隙的鐵芯上，「尖劈」形空氣隙內產生均勻梯度的磁場，磁場方向垂直於YBCO超導帶材表面；當YBCO超導帶材勻速通過該「尖劈」形空氣隙時，切割磁力線，在帶材的超導層內產生渦流；在梯度場外，渦流反過來在帶材表面產生恆定的磁場，利用霍爾探頭2探測YBCO超導帶材表面的磁場；在超導層內感應出的渦流與超導帶材的局部臨界電流成正比，因此也與霍爾探頭探測到的磁場成正比，霍爾探頭2輸出信號經過標定後，即為超導帶局部臨界電流沿長度上的臨界電流分布，即臨界電流的均勻性。
2.應用權利要求1所述的測量實用長度YBCO高溫超導帶材臨界電流均勻性的方法的裝置，包括帶鐵芯的直流磁體[1]、霍爾探頭[2]、步進電機[4]、收線盤[5]、放線盤[6]、放線定滑輪[7]、收線定滑輪[8]、低溫冷卻介質[9]、低溫容器[10]、數字電壓表[11]，磁體直流電源[12]，系統控制、數據採集及處理系統[13]；其特徵在於直流磁體[1]直接繞在鐵芯柱上，鐵芯開有尖劈形空氣間隙；霍爾探頭[2]，放線定滑輪[7]，收線定滑輪[8]，低溫冷卻介質[9]，帶尖劈形鐵芯空氣隙部分置於低溫容器[10]中；磁體直流電源[12]，用於驅動收線盤的步進電機[4]，收線盤[5]，放線盤[6]，數字電壓表[11]，控制、數據採集及處理系統[13]置於室溫環境；電源[12]直接與帶鐵芯「尖劈」的直流磁體[1]相連；數字電壓表[11]與霍爾探頭[2]相連；步進電機[4]驅動收線盤[5]，使超導線由放線盤[6]經過放線定滑輪[7]，穿過磁體[1]，經過放線定滑輪[8]，再到收線輪[5]，形成連續超導線的運動；電源[12]，數字電壓表[11]，驅動步進電機[4]，均由數字採集，控制及處理系統[13]控制；霍爾探頭[2]放在靠近直流磁體[1]「尖劈」外測，並置於超導帶材正上方2-5mm處；放線定滑輪[7]和收線定滑輪[8]結構相同，其切向與鐵芯「尖劈」中心處於同一水平直線上。
3.按照權利要求2所述的直流磁體[1]可以為超導線圈或常規銅線圈，採用常規線圈時，線圈置於上鐵厄之上處於室溫環境中。
全文摘要
一種實用長度YBCO高溫超導帶材臨界電流均勻性的測量方法，其特徵在於YBCO超導帶材置於具有磁場梯度的磁場中，直流磁體[1]套在具有尖劈空氣隙的鐵芯上，尖劈空氣隙內產生均勻梯度的磁場，磁場方向垂直於YBCO超導帶材表面；當YBCO超導帶材勻速通過該尖劈時，切割磁力線，在其超導層內產生渦流，渦流又在超導帶材表面產生恆定的磁場，在超導層內感應出的渦流與超導帶材的局部臨界電流成正比，也與霍爾探頭探測到的磁場成正比，霍爾探頭2輸出信號經過標定後，即為超導帶局部臨界電流沿長度上的臨界電流分布。應用本發明方法的裝置，包括帶「尖劈」空氣隙的鐵芯磁體[1]、霍爾探頭[2]、收放線盤[7]，收放線定滑輪[8]、步進電機[4]、直流電源[12]、低溫裝置[10]等部件。
文檔編號G01N27/00GK1967281SQ20061011435
公開日2007年5月23日 申請日期2006年11月8日 優先權日2006年11月8日
發明者王銀順, 戴少濤, 惠東, 肖立業, 林良真 申請人:中國科學院電工研究所