專利名稱：一種NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低溫超導(dǎo)線接頭及其制備方法，特別涉及一種可用于核磁共振譜儀超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭及其制備方法。
背景技術(shù)：
核磁共振譜儀是現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域重要的科學(xué)儀器裝備，其中核心部件就是能夠產(chǎn)生高達(dá)幾個(gè)甚至十幾個(gè)特斯拉磁場強(qiáng)度的高均勻度恒穩(wěn)磁場的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。為了滿足核磁共振系統(tǒng)對(duì)特殊磁場空間形位和高磁場均勻度的要求，核磁共振系統(tǒng)中的超導(dǎo)線圈往往需要由多個(gè)規(guī)格的超導(dǎo)線繞組按照設(shè)計(jì)要求排布在特定的空間位置。這些不同規(guī)格的繞組一般需要進(jìn)行首尾連接制作超導(dǎo)線接頭，由一臺(tái)直流電源供電以保證其運(yùn)行穩(wěn)定性。同時(shí)，核磁共振超導(dǎo)磁體一般都采用閉環(huán)方式運(yùn)行，一方面可以消除磁體引線的漏熱、 節(jié)約液氦、降低運(yùn)行費(fèi)用，另一方面可以保證磁場穩(wěn)定度。同樣，閉環(huán)運(yùn)行超導(dǎo)磁體也需要將超導(dǎo)開關(guān)與超導(dǎo)線圈進(jìn)行連接，制作超導(dǎo)線接頭。超導(dǎo)線接頭的質(zhì)量對(duì)于核磁共振磁體系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要影響作用。由于接頭不可避免存在電阻，必然導(dǎo)致額外的能量消耗，從而引起磁場的衰減。實(shí)際中閉環(huán)運(yùn)行的超導(dǎo)磁體中接頭處的熱損耗會(huì)占整個(gè)磁體系統(tǒng)熱損耗的一半以上。比如在400MHz核磁共振譜儀系統(tǒng)中，IO-fVHr的磁場衰減變換便意味著400Hz/Hr的頻率漂移，這將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)。其次，由于接頭電阻的存在，在磁體中形成了一個(gè)連續(xù)的點(diǎn)擾動(dòng)，引起超導(dǎo)線接頭附近的臨界特性的衰退。在閉環(huán)運(yùn)行磁體中，接頭的臨界性能時(shí)設(shè)計(jì)磁體的重要參數(shù)，磁體工作電流的選擇必須不超過接頭的臨界電流，可以認(rèn)為接頭性能的好壞直接影響到閉環(huán)運(yùn)行磁體的設(shè)計(jì)方案。核磁共振譜儀超導(dǎo)磁體系統(tǒng)對(duì)于超導(dǎo)線接頭性能的要求包括兩點(diǎn)一是接頭必須具備一定的機(jī)械強(qiáng)度，以應(yīng)對(duì)磁體的預(yù)應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、電磁應(yīng)力、收縮應(yīng)力等；二是接頭必須具有較低的電阻，尤其是閉環(huán)運(yùn)行的超導(dǎo)磁體，接頭電阻將會(huì)導(dǎo)致磁場的衰減。在核磁共振譜儀超導(dǎo)磁體中，當(dāng)接頭電阻小于10_"Ω時(shí)，才能使得系統(tǒng)損耗率小于0. 02ppm/hour, 保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。NbTi超導(dǎo)體多芯線具備穩(wěn)定的超導(dǎo)性能和較好的性價(jià)比，已成為核磁共振譜儀超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中超導(dǎo)線圈的一種常用的低溫超導(dǎo)材料。目前NbTi超導(dǎo)線接頭的制備工藝方法主要有冷壓焊法、爆炸焊法、超聲波焊法、釬焊法、錫焊法等。美國強(qiáng)磁場國家實(shí)驗(yàn)室的 Charles A. Swenson，提出了一種采用焊接法制備核磁共振譜儀(NMR)磁體接頭的方法，接頭電阻小于IX Ω。日本在開發(fā)頻率為IGHz的NMR中，磁體中Nb3Al和NbTi兩種超導(dǎo)線的接頭也采用了錫焊的方法。這種方法在制備中為了防止焊錫氧化，都要求接頭需要在真空或者保護(hù)氣體環(huán)境下進(jìn)行，這對(duì)于工程現(xiàn)場、較大體積磁體的操作要求苛刻。并且焊接加熱過程也對(duì)超導(dǎo)磁體構(gòu)成損傷威脅。冷壓焊技術(shù)制備超導(dǎo)接頭相對(duì)錫焊而言具備技術(shù)穩(wěn)定，可以在常溫大氣條件下完成，適合工程實(shí)際條件。美國勞倫斯實(shí)驗(yàn)室和北京有色金屬研究總院都曾經(jīng)采用頂鍛壓力擠壓工藝，直接將被焊導(dǎo)線截面接觸發(fā)生冷焊。通過反復(fù)擠壓
4使導(dǎo)體之間產(chǎn)生牢固的金屬間結(jié)合制備NbTi超導(dǎo)接頭。其電阻只能達(dá)到8Χ10_9Ω，可以滿足一般磁體運(yùn)行要求，不能滿足核磁共振譜儀超導(dǎo)磁體對(duì)接頭更低電阻的要求。其他方法如爆炸焊法制備的超導(dǎo)接頭雖然具備了較高的接頭質(zhì)量，但是復(fù)雜苛刻的制備條件限制了實(shí)際工程應(yīng)用。針對(duì)現(xiàn)有問題，需要開發(fā)一種低電阻、高載流能力、操作簡便、質(zhì)量穩(wěn)定的NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭制備技術(shù)，滿足核磁共振譜儀超導(dǎo)磁體系統(tǒng)制造過程中的工程需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決核磁共振譜儀超導(dǎo)磁體系統(tǒng)制造過程中NbTi超導(dǎo)體多芯線超導(dǎo)接頭的現(xiàn)有制備技術(shù)中質(zhì)量不穩(wěn)定、工藝條件復(fù)雜苛刻等問題，提出一種具備多層復(fù)合的鍥形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭及其制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案在于本發(fā)明NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭為多層復(fù)合的鍥形結(jié)構(gòu)，所述接頭內(nèi)部是由超導(dǎo)填充材料和待連接的NbTi超導(dǎo)體多芯線的NbTi超導(dǎo)絲簇兩者混合組成的超導(dǎo)連接核心， 超導(dǎo)連接核心的外部包覆超導(dǎo)復(fù)合層，超導(dǎo)復(fù)合層外部包覆錫焊層，錫焊層外部包覆絕緣層，超導(dǎo)連接核心、超導(dǎo)復(fù)合層、錫焊層和絕緣層之間緊密結(jié)合，所述接頭整體外觀為鍥形； 超導(dǎo)復(fù)合層分為內(nèi)外兩層，其外層為純度優(yōu)于99. 999%的退火態(tài)純銅層，內(nèi)層為超導(dǎo)層，超導(dǎo)層的成分為Nb或NbTi合金超導(dǎo)材料。所述的接頭整體外觀呈鍥形，橫截面為矩形，縱截面為梯形，該梯形兩個(gè)斜邊的延長線夾角范圍為3-10° ；且所述的接頭的橫截面積沿接頭根部至端部的方向逐漸減小。所述的超導(dǎo)填充材料采用超導(dǎo)材料粉末，所述的超導(dǎo)材料粉末的成分是Nb或 NbTi超導(dǎo)材料。所述的超導(dǎo)填充材料采用超導(dǎo)材料細(xì)絲，超導(dǎo)材料細(xì)絲的成分是Nb或NbTi超導(dǎo)材料，超導(dǎo)細(xì)絲直徑與NbTi超導(dǎo)體多芯線的單根超導(dǎo)絲直徑的比值范圍為0. 8-1. 2。本發(fā)明制備NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭的方法，其制備步驟順序如下①去除待連接的不同NbTi超導(dǎo)體多芯線端部的銅基體，露出散開的NbTi超導(dǎo)絲簇；②將待連接的不同超導(dǎo)體多芯線的NbTi超導(dǎo)絲簇相互混合扭絞后，穿入超導(dǎo)復(fù)合管，NbTi超導(dǎo)絲簇端部應(yīng)超出超導(dǎo)復(fù)合管；③將超導(dǎo)填充材料裝填入超導(dǎo)復(fù)合管中，并填滿所述的超導(dǎo)復(fù)合管與NbTi超導(dǎo)絲簇之間的間隙；④對(duì)超導(dǎo)復(fù)合管進(jìn)行側(cè)向擠壓，將超導(dǎo)絲簇壓緊，使超導(dǎo)復(fù)合管受力變形后形成所述接頭中的超導(dǎo)復(fù)合層；擠壓過程中通過調(diào)節(jié)擠壓力大小使得所述的超導(dǎo)復(fù)合層的橫截面積沿根部至端部逐漸減小，外觀呈鍥形，橫截面為矩形，縱截面為梯形，該梯形兩個(gè)斜邊的延長線夾角范圍為3-10° ；⑤將焊錫鍍?cè)诔瑢?dǎo)復(fù)合層外壁表面上，形成錫焊層；⑥在錫焊層外部包覆絕緣材料，形成絕緣層，至此完成所述接頭的制作。其中，制備超導(dǎo)復(fù)合管的方法之一的步驟順序如下①將純度優(yōu)于99. 999%的純銅棒軸向打孔，將超導(dǎo)材料棒插入孔內(nèi)，超導(dǎo)材料棒與孔之間過盈配合，構(gòu)成復(fù)合棒；
②采用機(jī)械拉拔或擠壓工藝將復(fù)合棒直徑拉細(xì)；③將復(fù)合棒進(jìn)行去應(yīng)力退火處理；④從復(fù)合棒中心沿軸向在超導(dǎo)材料層內(nèi)打通孔，成為超導(dǎo)復(fù)合管；⑤將超導(dǎo)復(fù)合管真空去應(yīng)力退火處理。制備超導(dǎo)復(fù)合管的方法之二的步驟為先將純度優(yōu)于99. 999%的純銅管和超導(dǎo)材料管過盈配合套裝在一起，然后進(jìn)行真空去應(yīng)力退火處理。本發(fā)明的特點(diǎn)在于通過優(yōu)化的多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提高接頭內(nèi)部的密實(shí)程度，改善NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭的壓接結(jié)合狀態(tài)，從而達(dá)到降低接頭電阻的目的。其中，通過連續(xù)控制側(cè)向擠壓力的大小得到的NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭鍥形結(jié)構(gòu)， 可以使超導(dǎo)復(fù)合管內(nèi)壁與超導(dǎo)絲簇的空隙空間呈連續(xù)減小狀態(tài)，從而達(dá)到接頭內(nèi)部從根部到端部沿接頭軸向呈連續(xù)的擠壓應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。這種連續(xù)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)既可以避免由于擠壓應(yīng)力整體過大對(duì)超導(dǎo)絲簇?fù)p傷從而損害接頭整體的超導(dǎo)連接，也可以避免擠壓應(yīng)力整體不足造成的接頭內(nèi)部空隙空間過大、使超導(dǎo)絲簇不能充分壓接或出現(xiàn)虛搭現(xiàn)象致使接頭的電阻升高的缺點(diǎn)。在本發(fā)明所述的接頭結(jié)構(gòu)中，只要接頭的鍥形結(jié)構(gòu)中局部存在大小適宜的擠壓應(yīng)力，提供給超導(dǎo)復(fù)合管內(nèi)壁與超導(dǎo)絲簇的良好電接觸，就能使電流以極低電阻通過接頭。這樣在超導(dǎo)接頭制備中對(duì)壓力的選擇就會(huì)更加寬泛和更加容易，便于實(shí)際操作。其中，通過超導(dǎo)填充材料的合理選擇和添加，能夠有效填充超導(dǎo)復(fù)合管內(nèi)壁與 NbTi超導(dǎo)絲簇的空隙空間，促進(jìn)NbTi超導(dǎo)絲簇在壓接后與復(fù)合管內(nèi)壁的結(jié)合狀態(tài)，提高接觸密實(shí)度，降低接觸電阻。在選擇超導(dǎo)材料細(xì)絲作為超導(dǎo)填充材料的時(shí)候，確定細(xì)絲直徑與 NbTi超導(dǎo)體多芯線的單根超導(dǎo)絲直徑的比值范圍為0. 8-1. 2，是為了保證NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭內(nèi)部的超導(dǎo)絲簇直徑基本保持一致。一般來說接頭中連接超導(dǎo)絲的直徑大小與外部擠壓力值有函數(shù)關(guān)系。超導(dǎo)絲直徑越小，達(dá)到將超導(dǎo)絲有效電連接所需的外部擠壓力越大。 因此，選用與NbTi超導(dǎo)體多芯線的超導(dǎo)絲直徑基本一致的超導(dǎo)材料細(xì)絲作為接頭的超導(dǎo)填充材料能夠提高接頭的超導(dǎo)電連接狀態(tài)。其中，超導(dǎo)復(fù)合管為內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu)，其外層為純銅層，純度優(yōu)于99. 999%，內(nèi)層為超導(dǎo)層，超導(dǎo)層成分為Nb或NbTi合金超導(dǎo)材料。其內(nèi)層超導(dǎo)層的設(shè)計(jì)是為了增強(qiáng)超導(dǎo)絲簇的電連接，通過增強(qiáng)超導(dǎo)絲與內(nèi)壁超導(dǎo)層的相互接觸和冷焊合，從而增加待連接超導(dǎo)絲的接觸面積，增加超導(dǎo)接頭的載流能力；其外層采用了純度優(yōu)于99. 999%的退火態(tài)純銅， 該材料在4K低溫下的熱導(dǎo)率達(dá)到11300W/(m· ，剩余電阻率(剩余電阻率定義為材料在293K溫度時(shí)的電阻率與其在4K溫度時(shí)的電阻率兩者之間的比值)達(dá)到2000，而常用的電解銅在相同條件下的熱導(dǎo)率僅為560W/(m · K)，剩余電阻率RRR僅為100。純度優(yōu)于 99. 999%的退火態(tài)純銅材料具備了優(yōu)異的低溫?zé)釋?dǎo)率和極低的電阻率，在超導(dǎo)接頭中起到了穩(wěn)定超導(dǎo)接頭臨界性能、增加接頭的分流能力、更加充分有效導(dǎo)冷的作用。其中，通過對(duì)超導(dǎo)復(fù)合管加工工藝的控制，改善了超導(dǎo)復(fù)合管內(nèi)、外層之間的界面結(jié)合狀態(tài)，提高了接頭穩(wěn)定性。本發(fā)明所述的制備NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭的方法不需要高溫加熱過程，不對(duì)磁體本身造成危害；方法簡便，適宜在工程現(xiàn)場操作；質(zhì)量穩(wěn)定可靠，重復(fù)性強(qiáng)，可顯著降低接頭電阻。本發(fā)明方法簡便，質(zhì)量穩(wěn)定，可降低接頭電阻。


圖1是NbTi超導(dǎo)體多芯線的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖，圖中，1銅基體，2NbTi超導(dǎo)絲；圖2是NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭復(fù)合嵌套的鍥形結(jié)構(gòu)橫截面示意圖，圖中，3NbTi超導(dǎo)絲簇，4超導(dǎo)填充材料，5超導(dǎo)復(fù)合層，6純銅層，7超導(dǎo)層，8錫焊層，9絕緣層；圖3是NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭在壓制前的外觀示意圖，圖中，F(xiàn)代表擠壓力，箭頭表示壓力的施加方向；圖4是NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭鍥形結(jié)構(gòu)外觀示意圖，圖中，θ為所述接頭梯形縱截面的兩個(gè)斜邊的延長線夾角；圖5是NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭制備方法流程圖；圖6是制備兩根相同規(guī)格、直徑0. 75mm的NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭在液氦低溫系統(tǒng)超導(dǎo)閉環(huán)過程中的電流衰減測(cè)試數(shù)據(jù)圖；圖7是制備兩根不同規(guī)格、直徑分別為0. 75mm和0. 60mm的NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭在背場IT條件下的電阻值和載流值的測(cè)試數(shù)據(jù)圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
進(jìn)一步說明本發(fā)明。圖1為NbTi超導(dǎo)體多芯線的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，NbTi超導(dǎo)體多芯線由銅基體1鑲嵌NbTi超導(dǎo)絲2組成。NbTi超導(dǎo)線在低溫超導(dǎo)態(tài)通電過程中，電流從NbTi 超導(dǎo)絲2中無電阻的通行，銅基體1起到穩(wěn)定電流作用。圖2為NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭橫截面示意圖。如圖2所示，本發(fā)明NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭為多層復(fù)合的鍥形結(jié)構(gòu)，橫截面為矩形，所述接頭內(nèi)部是由超導(dǎo)填充材料4和待連接NbTi超導(dǎo)體多芯線的NbTi超導(dǎo)絲簇3兩者混合組成的超導(dǎo)連接核心，超導(dǎo)連接核心的外部包覆超導(dǎo)復(fù)合層5，超導(dǎo)復(fù)合層5外部包覆錫焊層8，錫焊層8外部包覆絕緣層9， 超導(dǎo)連接核心、超導(dǎo)復(fù)合層5、錫焊層8和絕緣層9各層之間緊密結(jié)合，所述接頭整體外觀為鍥形結(jié)構(gòu)；超導(dǎo)復(fù)合層5分為內(nèi)外兩層，其外層為純銅層6，材料為純度優(yōu)于99. 999%退火態(tài)純銅，內(nèi)層為超導(dǎo)層7，超導(dǎo)層7成分為Nb或NbTi合金超導(dǎo)材料。圖3為NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭在壓制前的外觀示意圖，圖中，F(xiàn)代表擠壓力，箭頭表示壓力的施加方向；圖4為NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭的鍥形結(jié)構(gòu)外觀示意圖，圖中θ為所述接頭梯形縱截面的兩個(gè)斜邊的延長線夾角。其中，所述的接頭整體外觀呈鍥形，橫截面為矩形，縱截面為梯形，該梯形兩個(gè)斜邊的延長線夾角θ范圍為3-10° ；所述接頭的橫截面積沿接頭根部至端部的方向逐漸減小。圖5為NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭制備方法流程圖。首先制備超導(dǎo)復(fù)合管。選擇純度優(yōu)于99. 999 %的純銅棒材，將純銅棒軸向打孔；然后將超導(dǎo)材料棒插入孔內(nèi)，超導(dǎo)材料棒與孔之間過盈配合，構(gòu)成復(fù)合棒；采用機(jī)械拉拔或擠壓工藝將復(fù)合棒直徑拉細(xì)；將復(fù)合棒進(jìn)行去應(yīng)力退火處理；從復(fù)合棒中心沿軸向在超導(dǎo)材料層內(nèi)打通孔，成為超導(dǎo)復(fù)合管； 將超導(dǎo)復(fù)合管真空去應(yīng)力退火處理，備用?；蛘哌x擇純度優(yōu)于99. 999%的純銅管；將超導(dǎo)材料管插入純銅孔內(nèi)，超導(dǎo)材料管與純銅孔之間過盈配合，構(gòu)成超導(dǎo)復(fù)合管；將超導(dǎo)復(fù)合管
7真空去應(yīng)力退火，備用。NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭制備方法順序如下1)去除掉待連接的不同NbTi超導(dǎo)體多芯線端部的銅基體，露出散開的NbTi超導(dǎo)絲簇3 2)將待連接的不同超導(dǎo)體多芯線的NbTi超導(dǎo)絲簇3相互混合扭絞后，穿入超導(dǎo)復(fù)合管，NbTi超導(dǎo)絲簇3端部超出超導(dǎo)復(fù)合管；3)將超導(dǎo)填充材料4裝入超導(dǎo)復(fù)合管，并填滿超導(dǎo)復(fù)合管與NbTi超導(dǎo)絲簇3之間的間隙；4)對(duì)超導(dǎo)復(fù)合管進(jìn)行側(cè)向擠壓，將NbTi超導(dǎo)絲簇3壓緊，使超導(dǎo)復(fù)合管受力變形后形成所述接頭中的超導(dǎo)復(fù)合層5 ；擠壓過程中通過調(diào)節(jié)擠壓力大小使得所述的超導(dǎo)復(fù)合層5的橫截面積沿根部至端部逐漸減小，外觀呈鍥形，橫截面為矩形，縱截面為梯形，該梯形兩個(gè)斜邊的延長線夾角范圍為3-10° ；5)將焊錫焊接在超導(dǎo)復(fù)合層5外壁表面上，形成錫焊層8 ；6)在錫焊層8外部包覆絕緣材料，形成絕緣層9，至此完成所述接頭的制作；其中，超導(dǎo)填充材料4可采用超導(dǎo)材料粉末，成分是Nb或NbTi超導(dǎo)材料。超導(dǎo)填充材料4也可采用超導(dǎo)材料細(xì)絲，成分是Nb或NbTi超導(dǎo)材料，超導(dǎo)材料細(xì)絲直徑與NbTi 超導(dǎo)體多芯線的單根超導(dǎo)絲直徑的比值范圍為0. 8-1. 2。圖6為制備兩根相同規(guī)格、直徑0. 75mm的NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭在液氦低溫系統(tǒng)超導(dǎo)閉環(huán)過程中的電流衰減測(cè)試數(shù)據(jù)圖。圖7為制備兩根不同規(guī)格、直徑分別為0. 75mm和0. 60mm的NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭在背場IT條件下的電阻值和載流值的測(cè)試數(shù)據(jù)圖。實(shí)施例一制備兩根相同規(guī)格的NbTi超導(dǎo)體多芯線的接頭，其中，NbTi超導(dǎo)體多芯線的導(dǎo)線直徑0. 75mm,單根超導(dǎo)絲直徑10 μ m。選擇純度優(yōu)于99. 999%的純銅棒材，將純銅棒軸向打孔；將純鈮或NbTi超導(dǎo)棒插入孔內(nèi)，超導(dǎo)棒與孔之間過盈配合，構(gòu)成復(fù)合棒；采用機(jī)械拉拔或熱軋工藝將復(fù)合棒直徑拉細(xì)，直至復(fù)合棒外徑達(dá)到5mm ；將復(fù)合棒進(jìn)行去應(yīng)力退火處理；將復(fù)合棒截為長度30mm的復(fù)合短棒；從復(fù)合短棒中心沿軸向在超導(dǎo)材料層內(nèi)打出直徑為1.8mm的通孔，成為超導(dǎo)復(fù)合管；將超導(dǎo)復(fù)合管真空去應(yīng)力退火。去除掉待連接的不同NbTi超導(dǎo)體多芯線端部的銅基體，露出散開的NbTi超導(dǎo)絲簇3 ；將待連接的不同超導(dǎo)體多芯線的NbTi超導(dǎo)絲簇3相互混合扭絞后，穿過超導(dǎo)復(fù)合管，NbTi超導(dǎo)絲簇3端部超出超導(dǎo)復(fù)合管Icm ；將超導(dǎo)填充材料 4裝入超導(dǎo)復(fù)合管，并填滿超導(dǎo)復(fù)合管與NbTi超導(dǎo)絲簇3之間的間隙，超導(dǎo)填充材料4為純Nb或者NbTi超導(dǎo)粉末，粉末粒徑約10 μ m ；對(duì)超導(dǎo)復(fù)合管進(jìn)行徑側(cè)向擠壓，將超導(dǎo)絲簇 3壓緊，使超導(dǎo)復(fù)合管受力變形后形成所述接頭中的超導(dǎo)復(fù)合層5 ；擠壓過程中通過調(diào)節(jié)擠壓力大小使得所述的超導(dǎo)復(fù)合層5的橫截面積沿根部至端部逐漸減小，外觀呈鍥形，橫截面為矩形，縱截面為梯形，該梯形兩個(gè)斜邊的延長線夾角為3° ；將焊錫焊接在超導(dǎo)復(fù)合層 5外壁表面上形成錫焊層8 ；在錫焊層8外部包覆絕緣材料，形成絕緣層9，完成所述接頭的制作。該超導(dǎo)接頭整體外觀呈鍥形，橫截面為矩形，縱截面為梯形，該梯形兩個(gè)斜邊的延長線夾角3° ；且所述的接頭的橫截面積沿接頭根部至端部的方向逐漸減小。
將超導(dǎo)接頭置于液氦低溫系統(tǒng)超導(dǎo)閉環(huán)運(yùn)行測(cè)試表明，在零背場下超導(dǎo)線接頭電阻達(dá)到低于3 X 10_14 Ω，穩(wěn)定運(yùn)行電流210Α。滿足核磁共振譜儀超導(dǎo)磁體對(duì)超導(dǎo)接頭電阻性能的要求。測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示。實(shí)施例二 制備兩根規(guī)格不同的NbTi超導(dǎo)體多芯線的接頭，其中，NbTi超導(dǎo)體多芯線甲的導(dǎo)線直徑0. 75mm,單根超導(dǎo)絲直徑5 μ m ；NbTi超導(dǎo)體多芯線乙的導(dǎo)線直徑0. 60mm,單根超導(dǎo)絲直徑5 μ m。選擇純度優(yōu)于99. 999%的純銅管，外徑5mm，內(nèi)徑4mm ；將純Nb或者NbTi超導(dǎo)合金管插入純銅孔內(nèi)，超導(dǎo)合金管外徑4mm，內(nèi)徑1. 5mm。超導(dǎo)合金管與純銅孔之間過盈配合，構(gòu)成超導(dǎo)復(fù)合管；將超導(dǎo)復(fù)合管真空去應(yīng)力退火。去除掉NbTi超導(dǎo)體多芯線端部的銅基體， 露出散開的NbTi超導(dǎo)絲簇3 ；將待連接的不同超導(dǎo)體多芯線的NbTi超導(dǎo)絲簇3相互混合扭絞后，穿過超導(dǎo)復(fù)合管，NbTi超導(dǎo)絲簇3端部超出超導(dǎo)復(fù)合管的3cm ；將直徑為6 μ m的 NbTi超導(dǎo)細(xì)絲作為超導(dǎo)填充材料4裝入超導(dǎo)復(fù)合管，并填滿超導(dǎo)復(fù)合管與NbTi超導(dǎo)絲簇 3之間的間隙；對(duì)超導(dǎo)復(fù)合管進(jìn)行側(cè)向擠壓，將超導(dǎo)絲簇3壓緊，使超導(dǎo)復(fù)合管受力變形后形成所述接頭中的超導(dǎo)復(fù)合層5 ；擠壓過程中通過調(diào)節(jié)擠壓力大小使得所述的超導(dǎo)復(fù)合層 5的橫截面積沿根部至端部逐漸減小，外觀呈鍥形，橫截面為矩形，縱截面為梯形，該梯形兩個(gè)斜邊的延長線夾角為10° ；將焊錫焊接在超導(dǎo)復(fù)合層5外壁表面上形成錫焊層8 ；在錫焊層8外部包覆絕緣材料，形成絕緣層9，完成所述接頭的制作。該超導(dǎo)接頭整體外觀呈鍥形， 橫截面為矩形，縱截面為梯形，該梯形兩個(gè)斜邊的延長線夾角10° ；且所述的接頭的橫截面積沿接頭根部至端部的方向逐漸減小。通過超導(dǎo)接頭低溫閉環(huán)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果表明，接頭在IT背場下電阻為 1. 96X 10_13Ω，穩(wěn)定運(yùn)行電流85. 86Α。滿足核磁共振譜儀超導(dǎo)磁體對(duì)超導(dǎo)接頭電阻性能的要求。測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7所示。實(shí)施例三制備兩根規(guī)格不同的NbTi超導(dǎo)體多芯線的接頭，其中，NbTi超導(dǎo)體多芯線甲的導(dǎo)線直徑1. OOmm,單根超導(dǎo)絲直徑6 μ m ；NbTi超導(dǎo)體多芯線乙的導(dǎo)線直徑0. 80mm,單根超導(dǎo)絲直徑6 μ m。選擇純度優(yōu)于99. 999%的純銅棒材，將純銅棒軸向打孔；將NbTi超導(dǎo)棒插入孔內(nèi)，超導(dǎo)棒與孔之間過盈配合，構(gòu)成復(fù)合棒；采用機(jī)械拉拔或熱軋工藝將復(fù)合棒直徑拉細(xì)； 將復(fù)合棒進(jìn)行去應(yīng)力退火處理；反復(fù)上述的拉細(xì)和退火處理兩步驟，直至復(fù)合棒外徑達(dá)到 5mm ；將復(fù)合棒截為長度30mm的復(fù)合短棒；從復(fù)合短棒中心沿軸向在超導(dǎo)材料層內(nèi)打出直徑為2. Omm的通孔，成為超導(dǎo)復(fù)合管；將超導(dǎo)復(fù)合管真空去應(yīng)力退火。去除掉NbTi超導(dǎo)體多芯線端部的銅基體，露出散開的NbTi超導(dǎo)絲簇3 ；將待連接的不同超導(dǎo)體多芯線的NbTi超導(dǎo)絲簇3相互混合扭絞后，穿過超導(dǎo)復(fù)合管，NbTi超導(dǎo)絲簇3端部超出超導(dǎo)復(fù)合管的2cm ； 將直徑為4. 8 μ m的NbTi超導(dǎo)細(xì)絲作為超導(dǎo)填充材料4裝入超導(dǎo)復(fù)合管，并填滿超導(dǎo)復(fù)合管與NbTi超導(dǎo)絲簇3之間的間隙；對(duì)超導(dǎo)復(fù)合管進(jìn)行側(cè)向擠壓，將超導(dǎo)絲簇3壓緊，使超導(dǎo)復(fù)合管受力變形后形成所述接頭中的超導(dǎo)復(fù)合層5 ；擠壓過程中通過調(diào)節(jié)擠壓力大小使得所述的超導(dǎo)復(fù)合層5的橫截面積沿根部至端部逐漸減小，外觀呈鍥形，橫截面為矩形，縱截面為梯形，該梯形兩個(gè)斜邊的延長線夾角為r ；將焊錫焊接在超導(dǎo)復(fù)合層5外壁表面上形CN 102509907 A
說明書
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成錫焊層8 ；在錫焊層8外部包覆絕緣材料，形成絕緣層9，完成所述接頭的制作。該超導(dǎo)接頭整體外觀呈鍥形，橫截面為矩形，縱截面為梯形，該梯形兩個(gè)斜邊的延長線夾角7° ；且所述的接頭的橫截面積沿接頭根部至端部的方向逐漸減小。通過超導(dǎo)接頭低溫閉環(huán)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果表明，接頭在IT背場下電阻為 7. 15乂10_140，穩(wěn)定運(yùn)行電流105々。滿足核磁共振譜儀超導(dǎo)磁體對(duì)超導(dǎo)接頭電阻性能的要求。實(shí)施例四制備兩根相同規(guī)格的NbTi超導(dǎo)體多芯線的接頭，其中，NbTi超導(dǎo)體多芯線的導(dǎo)線直徑1. OOmm,單根超導(dǎo)絲直徑8 μ m。選擇純度優(yōu)于99. 999%的純銅棒材，將純銅棒軸向打孔；將純鈮超導(dǎo)棒插入孔內(nèi)，超導(dǎo)棒與孔之間過盈配合，構(gòu)成復(fù)合棒；采用機(jī)械拉拔或熱軋工藝將復(fù)合棒直徑拉細(xì)； 將復(fù)合棒進(jìn)行去應(yīng)力退火處理；反復(fù)上述的拉細(xì)和退火處理兩步驟，直至復(fù)合棒外徑達(dá)到 5mm ；將復(fù)合棒截為長度35mm的復(fù)合短棒；從復(fù)合短棒中心沿軸向在超導(dǎo)材料層內(nèi)打出直徑為2. 2mm的通孔，成為超導(dǎo)復(fù)合管；將超導(dǎo)復(fù)合管真空去應(yīng)力退火。去除掉NbTi超導(dǎo)體多芯線端部的銅基體，露出散開的NbTi超導(dǎo)絲簇3 ；將待連接的不同超導(dǎo)體多芯線的NbTi超導(dǎo)絲簇3相互混合扭絞后，穿過超導(dǎo)復(fù)合管，NbTi超導(dǎo)絲簇3端部超出超導(dǎo)復(fù)合管的2cm ； 將直徑為8 μ m的Nb超導(dǎo)細(xì)絲作為超導(dǎo)填充材料4裝入超導(dǎo)復(fù)合管，并填滿超導(dǎo)復(fù)合管與 NbTi超導(dǎo)絲簇3之間的間隙；對(duì)超導(dǎo)復(fù)合管進(jìn)行側(cè)向擠壓，將超導(dǎo)絲簇3壓緊，使超導(dǎo)復(fù)合管受力變形后形成所述接頭中的超導(dǎo)復(fù)合層5 ；擠壓過程中通過調(diào)節(jié)擠壓力大小使得所述的超導(dǎo)復(fù)合層5的橫截面積沿根部至端部逐漸減小，外觀呈鍥形，橫截面為矩形，縱截面為梯形，該梯形兩個(gè)斜邊的延長線夾角為5° ；將焊錫焊接在超導(dǎo)復(fù)合層5外壁表面上形成錫焊層8 ；在錫焊層8外部包覆絕緣材料，形成絕緣層9，完成所述接頭的制作。該超導(dǎo)接頭整體外觀呈鍥形，橫截面為矩形，縱截面為梯形，該梯形兩個(gè)斜邊的延長線夾角5° ；且所述的接頭的橫截面積沿接頭根部至端部的方向逐漸減小。通過超導(dǎo)接頭低溫閉環(huán)運(yùn)行測(cè)試結(jié)果表明，接頭在0.7T背場下電阻為 2.04乂10_130，穩(wěn)定運(yùn)行電流176々。滿足核磁共振譜儀超導(dǎo)磁體對(duì)超導(dǎo)接頭電阻性能的要求。
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權(quán)利要求
1.一種NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭，其特征在于所述的接頭為多層復(fù)合的鍥形結(jié)構(gòu)，所述接頭內(nèi)部是由超導(dǎo)填充材料(4)和待連接NbTi超導(dǎo)體多芯線的NbTi超導(dǎo)絲簇(3)兩者混合組成的超導(dǎo)連接核心，所述的超導(dǎo)連接核心的外部包覆超導(dǎo)復(fù)合層(5)，超導(dǎo)復(fù)合層(5) 外部包覆錫焊層(8)，錫焊層(8)外部包覆絕緣層(9)，超導(dǎo)連接核心、超導(dǎo)復(fù)合層(5)、錫焊層(8)和絕緣層(9)之間緊密結(jié)合，所述接頭整體外觀為鍥形；超導(dǎo)復(fù)合層(5)分為內(nèi)外兩層，其外層為純銅層(6)，內(nèi)層為超導(dǎo)層(7)，超導(dǎo)層(7)成分為Nb或NbTi合金超導(dǎo)材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭，其特征在于所述的接頭的橫截面為矩形，縱截面為梯形，該梯形兩個(gè)斜邊的延長線夾角范圍為3-10° ；且所述接頭的橫截面積沿接頭根部至端部的方向逐漸減小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭，其特征在于所述的超導(dǎo)填充材料 (4)采用超導(dǎo)材料粉末，所述的超導(dǎo)材料粉末的成分是Nb或NbTi超導(dǎo)材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭，其特征在于所述的超導(dǎo)填充材料(4)采用超導(dǎo)材料細(xì)絲，超導(dǎo)材料細(xì)絲的成分是Nb或NbTi超導(dǎo)材料，細(xì)絲直徑與NbTi超導(dǎo)體多芯線的單根超導(dǎo)絲直徑的比值范圍為0. 8-12。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭，其特征在于所述的純銅層(6)的材料為純度優(yōu)于99. 999%的退火態(tài)純銅。
6.制備權(quán)利要求1所述的NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭的方法，其特征在于所述制備方法步驟順序如下①去除待連接的不同NbTi超導(dǎo)體多芯線端部的銅基體，露出散開的NbTi超導(dǎo)絲簇⑶；②將待連接的不同超導(dǎo)體多芯線的NbTi超導(dǎo)絲簇(3)相互混合扭絞后，穿入超導(dǎo)復(fù)合管，NbTi超導(dǎo)絲簇(3)端部超出超導(dǎo)復(fù)合管；③將超導(dǎo)填充材料(4)裝填入所述的超導(dǎo)復(fù)合管中，填滿所述的超導(dǎo)復(fù)合管與NbTi超導(dǎo)絲簇(3)之間的間隙；④對(duì)超導(dǎo)復(fù)合管進(jìn)行側(cè)向擠壓，將超導(dǎo)絲簇(3)壓緊，使超導(dǎo)復(fù)合管受力變形后形成所述接頭中的超導(dǎo)復(fù)合層(5)；擠壓過程中通過調(diào)節(jié)擠壓力大小使得所述的超導(dǎo)復(fù)合層(5)的橫截面積沿根部至端部逐漸減小，外觀呈鍥形，橫截面為矩形，縱截面為梯形，該梯形兩個(gè)斜邊的延長線夾角范圍3-10° ；⑤將焊錫鍍?cè)诔瑢?dǎo)復(fù)合層(5)外壁表面上，形成錫焊層(8)；⑥在錫焊層(8)外部包覆絕緣材料，形成絕緣層(9)，至此完成所述接頭的制作。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭的制備方法，其特征在于所述的超導(dǎo)復(fù)合管的制作步驟如下①將純度優(yōu)于99.999 %的純銅棒軸向打孔，將超導(dǎo)材料棒插入孔內(nèi)，超導(dǎo)材料棒與孔之間過盈配合，構(gòu)成復(fù)合棒；②采用機(jī)械拉拔或擠壓工藝將復(fù)合棒直徑拉細(xì)；③將復(fù)合棒進(jìn)行去應(yīng)力退火處理；④從復(fù)合棒中心沿軸向在超導(dǎo)材料層內(nèi)打通孔，成為超導(dǎo)復(fù)合管；⑤將超導(dǎo)復(fù)合管真空去應(yīng)力退火處理。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭的制備方法，其特征在于所述的超導(dǎo)復(fù)合管的制作步驟如下先將純度優(yōu)于99. 999%的純銅管和超導(dǎo)材料管過盈配合套裝在一起；然后進(jìn)行真空去應(yīng)力退火處理。
全文摘要
一種NbTi超導(dǎo)體多芯線接頭及其制備方法。所述接頭的內(nèi)部是由超導(dǎo)填充材料(4)和待連接NbTi超導(dǎo)體多芯線的NbTi超導(dǎo)絲簇(3)兩者混合組成的超導(dǎo)連接核心，超導(dǎo)連接核心的外部包覆超導(dǎo)復(fù)合層(5)，超導(dǎo)復(fù)合層(5)外部包覆錫焊層(8)，錫焊層(8)外部包覆絕緣層(9)，超導(dǎo)連接核心、超導(dǎo)復(fù)合層(5)、錫焊層(8)和絕緣層(9)之間緊密結(jié)合，接頭整體為鍥形結(jié)構(gòu)；超導(dǎo)復(fù)合層(5)分為內(nèi)外兩層，其外層為純銅層(6)，內(nèi)層為超導(dǎo)層(7)，超導(dǎo)層(7)成分為Nb或NbTi合金超導(dǎo)材料。本發(fā)明制備方法簡便，質(zhì)量穩(wěn)定。
文檔編號(hào)H01R43/00GK102509907SQ201110347318
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月6日
發(fā)明者劉建華, 宋守森, 王秋良, 程軍勝 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電工研究所