專利名稱：一種高溫超導(dǎo)帶材臨界電流特性的測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及第2代高溫超導(dǎo)帶材臨界電流特性的測量裝置，特別涉及到釔系氧化物 YBCO超導(dǎo)帶材在不同溫度區(qū)間，在不同背景磁場及磁場方向下臨界電流特性的測量實現(xiàn) 裝置。
背景技術(shù)：
1991年日本藤倉公司(Fujikura)采用離子束輔助沉積法(IBAD)，真空條件下在柔軟 非織構(gòu)的金屬(一般為鎳合金)帶上獲得了一層高度織構(gòu)釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)膜，接著又 用脈沖激光沉積(PLD)工藝，在該基帶涂層上外延沉積了釔系氧化物YBCO，宣告第2代 高溫超導(dǎo)帶材的問世。隨后，美國洛斯阿拉莫斯實驗室(LANL)對這些工藝進行了優(yōu)化， 于1995年宣布制成在77K溫度下超導(dǎo)臨界電流密度達到1 MA/cn^的短樣，這一結(jié)果引起 了世界范圍的轟動，并吸引了越來越多的研究機構(gòu)和科學(xué)家的介入。
較之第1代BSCCO高溫超導(dǎo)帶材，第2代釔系氧化物YBCO高溫超導(dǎo)帶材具有一系 列明顯的優(yōu)勢物理特性上電流密度更高，發(fā)生超導(dǎo)的臨界溫度有進一步提高的潛能；交 流損耗低，較容易通過一定形式來限制故障電流；在液氮溫區(qū)在較高的磁場下具有比第1 代高溫超導(dǎo)材料更好的載流能力，其超導(dǎo)電性的各向異性比較弱；最重要的是省去了貴金 屬銀，理論成本遠低于第一代。
在超導(dǎo)帶材的整體性能中，臨界電流特性是其中最重要的特性之一。釔系氧化物YBCO 超導(dǎo)帶材的臨界電流隨溫度、背景磁場和磁場方向的變化規(guī)律是高溫超導(dǎo)應(yīng)用的重要參 量，也是衡量超導(dǎo)帶材質(zhì)量的重要技術(shù)指標。
釔系氧化物YBCO高溫超導(dǎo)帶材的Jc一S—0臨界電流特性曲線，如圖1所示。圖2 則是第l代高溫超導(dǎo)帶材的臨界電流變化特性曲線。從圖1和圖2的比較可知，釔系氧化 物YBCO高溫超導(dǎo)帶材與第1代高溫超導(dǎo)帶材類似，它們的臨界電流既是溫度又是背景磁 場和背景磁場方向的函數(shù)，同時臨界電流還隨溫度和磁場的增加而下降。但釔系氧化物 YBCO高溫超導(dǎo)帶材有不同于第1代BSCCO高溫超導(dǎo)帶材的臨界電流特性，它的臨界電 流值會在磁場方向與其帶材表面夾角為40度附近減小到最小值，隨后在夾角接近90度時，臨界電流又會稍加增大。而對于第1代高溫超導(dǎo)帶材而言，僅當磁場方向與帶材表面夾角 為90度時它的臨界電流才會減少到最小值。
傳統(tǒng)的測量超導(dǎo)帶材臨界電流的方法是四引線法，通常兩條引線用于給超導(dǎo)帶材通入 一定直流電流，另外兩條引線測量超導(dǎo)帶材端電壓，以l^V/cm為失超判據(jù)來確定該超導(dǎo) 線的臨界電流。圖3為傳統(tǒng)四引線法測量臨界電流的示意圖，圖4是四引線法測量中，根 據(jù)lpV/cm為失超判據(jù)確定臨界電流的定義方法。
但是，四引線法測量臨界電流特性時，并不能夠?qū)Τ瑢?dǎo)帶材的性能做出完整的評測。 尤其對于釔系氧化物YBCO高溫超導(dǎo)帶材，由于具有不同于第1代高溫超導(dǎo)帶材的特殊的 臨界電流特性，其臨界電流值不僅隨環(huán)境溫度變化，而且還受背景磁場及背景磁場方向變 化的影響。傳統(tǒng)的四引線法由于無法考慮這些因素帶來的影響，所以并不適用。需要基于 四引線法，設(shè)計一種新穎的裝置，綜合考慮環(huán)境溫度、背景磁場和磁場方向變化的具體影 響，測量釔系氧化物YBCO高溫超導(dǎo)帶材的臨界電流特性，從而獲得較全面的釔系氧化物 YBCO高溫超導(dǎo)帶材臨界電流性能參數(shù)，為高溫超導(dǎo)磁體優(yōu)化設(shè)計提供前提條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明設(shè)計了一種簡單、快速、可以計算溫度、背景磁場及其磁場方向變化的影響因 素，適合于釔系氧化物YBCO高溫超導(dǎo)帶材臨界電流特性測量的裝置。
本發(fā)明的測量方法是基于四引線法，構(gòu)造了一個集成有背景磁場發(fā)生器的減壓降溫的 真空裝置樣機，應(yīng)用該裝置，實現(xiàn)釔系氧化物YBCO超導(dǎo)帶材在不同溫區(qū)、不同磁場及磁 場方向下的臨界電流特性的測量。本發(fā)明的測量裝置功能齊全，可以準確獲得不同溫度、 不同背景磁場和磁場方向下，釔系氧化物YBCO高溫超導(dǎo)帶材的臨界電流變化特性曲線 族。該測量裝置為全面了解釔系氧化物YBCO超導(dǎo)帶材特性，進行釔系氧化物YBCO超 導(dǎo)帶材的生產(chǎn)和應(yīng)用具有重要的實用價值。
本發(fā)明的一種超導(dǎo)帶材臨界電流特性測量裝置，其特征在于包括超導(dǎo)帶材樣本架，霍 爾磁場探頭，溫度探頭，背景磁場磁體，旋轉(zhuǎn)桿，旋轉(zhuǎn)把手，超導(dǎo)帶材電流引線，背景磁 場磁體電流引線，低溫杜瓦，冷卻介質(zhì)存儲容器，低溫冷卻介質(zhì)，抽氣閥門，汽化器，真 空機組，GM制冷機，背場磁體直流電源，超導(dǎo)直流電源，系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)。 其中冷卻介質(zhì)存儲容器，抽氣閥門，汽化器，真空機組，GM制冷機，直流電源，系統(tǒng)控制、 數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)置于室溫環(huán)境，超導(dǎo)帶材樣本架，霍爾磁場探頭，溫度探頭，背景磁場磁體，旋轉(zhuǎn)桿，背場磁體電流引線，超導(dǎo)帶材電流引線均置于低溫容器中的冷卻介質(zhì)當 中。所述低溫度杜瓦內(nèi)部設(shè)置具有均勻空氣隙的背景磁場磁體，超導(dǎo)帶材能在該磁體的氣 隙中處于穩(wěn)恒磁場的環(huán)境中。
本發(fā)明的測量裝置，其特征在于在所述樣本架上安放了為超導(dǎo)帶材通入直流電流的夾 片，并在超導(dǎo)帶材表面上，依據(jù)一定距離安放2-3組測量接頭以測量失超電壓信號，同時 在超導(dǎo)帶材中間位置還放置了磁場霍爾探頭以測量空氣隙中心區(qū)域的均勻磁場強度。
本發(fā)明的測量裝置，其特征在于所述超導(dǎo)帶材樣本架、固定背景磁場磁體的支架、吊 桿和旋轉(zhuǎn)桿是環(huán)氧樹脂材料加工制成。
本發(fā)明的測量裝置，其特征在于所述低溫系統(tǒng)由密封的低溫杜瓦，真空機組、真空泵、 汽化器組成，是將真空機組連接到具有密封性的低溫杜瓦上，當杜瓦內(nèi)裝入液氮后，通過 控制真空機組的抽速，實現(xiàn)低溫杜瓦內(nèi)部的溫度逐漸降低，在低溫杜瓦內(nèi)部，當真空機組 抽取的真空度達到最高后，繼續(xù)應(yīng)用GM制冷機使杜瓦內(nèi)部液氮的溫度進一步降低。
本發(fā)明設(shè)計的釔系氧化物YBC0高溫超導(dǎo)帶材臨界電流特性測量裝置具有以下效 果和優(yōu)點
(1) 能夠測量釔系氧化物YBC0高溫超導(dǎo)帶材在溫度、背景磁場和磁場方向變化等因 素影響下的臨界電流特性；
(2) 設(shè)計了減壓降溫的低溫系統(tǒng)，從而可以利用液氮冷卻劑實現(xiàn)釔系氧化物YBCO超 導(dǎo)帶材在77K或者低于77K溫度范圍區(qū)間內(nèi)的臨界電流特性測量；
(3) 背景磁場發(fā)生裝置中的直流磁體為釔系氧化物YBCO超導(dǎo)帶材臨界電流特性測量 提供了背場，能夠根據(jù)需要通過控制磁體線圈的直流電流得到給定磁感應(yīng)強度值 下的穩(wěn)恒磁場；
(4) 在背場磁體的空氣隙中，釔系氧化物YBCO高溫超導(dǎo)帶材能隨樣本架在0—90度 范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，通過帶材表面與磁場夾角的變化從而等效實現(xiàn)背景磁場方向的改 變；
(5) 控制和測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對超導(dǎo)直流電源的遠程控制、對低溫系統(tǒng)溫度和背景磁 場大小的監(jiān)控，同時采集和處理由四引線法測得的釔系氧化物YBCO超導(dǎo)帶材的 臨界電流特性參數(shù)。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。圖1示出了釔系氧化物YBCO高溫超導(dǎo)帶材臨界電流特性； 圖2示出了 BSCC0高溫超導(dǎo)帶材的臨界電流特性； 圖3示出了四引線法測量原理；
圖4示出了釔系氧化物YBC0高溫超導(dǎo)帶材臨界電流的定義方法；
圖5示出了本發(fā)明測量裝置組成示意圖，其中1-超導(dǎo)帶材樣本架，2-霍爾磁場探頭，
3-溫度探頭，4-背景磁場磁體，5-旋轉(zhuǎn)桿，6-旋轉(zhuǎn)把手，7-超導(dǎo)帶材電流引線，8-背景磁 場磁體電流引線，9-低溫杜瓦，10-冷卻介質(zhì)存儲容器，11-低溫冷卻介質(zhì)，12-抽氣閥門， 13-汽化器，14真空機組，15-GM制冷機，16-背場磁體直流電源，17-超導(dǎo)直流電源，18-系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)；
圖6示出了帶空氣隙鐵芯的背景磁場磁體正視剖面圖，其中19-背場磁體1號線圈， 20-背場磁體2號線圈，21-空氣隙，22-超導(dǎo)帶材，23-鐵芯。
具體實施例方式
如圖5所示，應(yīng)用本發(fā)明方法的裝置包括超導(dǎo)帶材樣本架1，霍爾磁場探頭2，溫度 探頭3，背景磁場磁體4，旋轉(zhuǎn)桿5，旋轉(zhuǎn)把手6，超導(dǎo)帶材電流引線7，背景磁場磁體電 流引線8，低溫杜瓦9，冷卻介質(zhì)存儲容器10，低溫冷卻介質(zhì)11，抽氣閥門12，汽化器 13，真空機組14， GM制冷機15，背場磁體直流電源16，超導(dǎo)直流電源17，系統(tǒng)控制、數(shù) 據(jù)采集及處理系統(tǒng)18。其中冷卻介質(zhì)存儲容器，抽氣閥門，汽化器，真空機組，GM制冷 機，直流電源，系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)置于室溫環(huán)境。超導(dǎo)帶材樣本架，霍爾磁 場探頭，溫度探頭，背景磁場磁體，旋轉(zhuǎn)桿，背場磁體電流引線，超導(dǎo)帶材電流引線均置 于低溫容器中的冷卻介質(zhì)當中。當進行釔系氧化物YBCO超導(dǎo)帶材的臨界電流特性測試時， 基于四引線法，在樣本架上安放了為釔系氧化物YBCO超導(dǎo)帶材通入直流的電流夾片，并 在釔系氧化物YBCO超導(dǎo)帶材表面上，依據(jù)一定距離安放2-3組測量接頭以測量失超電壓 信號，同時在釔系氧化物YBCO超導(dǎo)帶材中間位置還放置了霍爾磁場探頭以測量空氣隙中 心區(qū)域的均勻磁場強度。此外為了避免超導(dǎo)帶材的損傷，實現(xiàn)良好的絕緣效果，釔系氧化 物YBCO超導(dǎo)帶材樣本架、固定背景磁場磁體的支架、吊桿、旋轉(zhuǎn)桿也都采用環(huán)氧樹脂加 工而成，保證在低溫下變形小，具有較好的機械強度，轉(zhuǎn)動自由。
圖6是帶空氣隙鐵芯的背景磁場磁體的正視剖面圖。超導(dǎo)帶材置于樣本架上，并隨樣 本架一起在空氣隙中旋轉(zhuǎn)，從而等效實現(xiàn)背景磁場方向的改變，背景磁場大小由控制直流磁體線圈電流值實現(xiàn)。由于鐵芯磁導(dǎo)率是空氣的萬倍以上，直流磁體產(chǎn)生的磁通大部分經(jīng) 過鐵芯從而能夠在空氣隙中形成一個均勻的磁場區(qū)域，這樣便獲得了一個穩(wěn)定的背景磁 場。
測試中，首先通過減壓降溫系統(tǒng)，利用真空機組對低溫杜瓦抽真空，獲得64K—77K 的超導(dǎo)帶材測試溫度區(qū)間。到達預(yù)期溫度后，通過電流引線給背景磁場磁體的線圈通入一 定直流電流，根據(jù)標定值可以得到空氣隙的磁感應(yīng)強度。然后在一定溫度、 一定背景磁場 下，逐度旋轉(zhuǎn)杜瓦蓋外部上方的旋轉(zhuǎn)把手帶動樣本架在0-90度范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，在不同旋轉(zhuǎn) 角度下采用四引線法，利用系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)測量釔系氧化物YBC0超導(dǎo)帶 材的臨界電流特性，形成數(shù)據(jù)文件進行輸出。
采用本發(fā)明的測量裝置就能夠比較方便地實現(xiàn)測量釔系氧化物YBC0高溫超導(dǎo)帶材隨 溫度、背景磁場和磁場方向變化的臨界電流特性。本裝置結(jié)構(gòu)簡單，功能齊全，操作方便， 使用簡便，是超導(dǎo)應(yīng)用和生產(chǎn)企業(yè)研究、檢測超導(dǎo)帶材特性參量的理想設(shè)備裝置。
此處已經(jīng)根據(jù)特定的示例性實施例對本發(fā)明進行了描述。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說在 不脫離本發(fā)明的范圍下進行適當?shù)奶鎿Q或修改將是顯而易見的。示例性的實施例僅僅是例 證性的，而不是對本發(fā)明的范圍的限制，本發(fā)明的范圍由所附的權(quán)利要求定義。
權(quán)利要求
1、一種高溫超導(dǎo)帶材臨界電流特性的測量裝置，其特征在于，該裝置包括超導(dǎo)帶材樣本架(1)，霍爾磁場探頭(2)，溫度探頭(3)，背景磁場磁體(4)，旋轉(zhuǎn)桿(5)，旋轉(zhuǎn)把手(6)，超導(dǎo)帶材電流引線(7)，背景磁場磁體電流引線(8)，低溫杜瓦(9)，冷卻介質(zhì)存儲容器(10)，低溫冷卻介質(zhì)(11)，抽氣閥門(12)，汽化器(13)，真空機組(14)，GM制冷機(15)，背場磁體直流電源(16)，超導(dǎo)直流電源(17)，系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)(18)；所述冷卻介質(zhì)存儲容器，抽氣閥門，汽化器，真空機組，GM制冷機，直流電源，系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)置于室溫環(huán)境；超導(dǎo)帶材樣本架，霍爾磁場探頭，溫度探頭，背景磁場磁體，旋轉(zhuǎn)桿，背場磁體電流引線，超導(dǎo)帶材電流引線均置于低溫容器中的冷卻介質(zhì)當中；所述低溫度杜瓦內(nèi)部設(shè)置具有均勻空氣隙的背景磁場磁體，超導(dǎo)帶材能在該磁體的氣隙中處于穩(wěn)恒磁場的環(huán)境中。
2、 如權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于在所述樣本架上安放了為超導(dǎo)帶材通 入直流電流的夾片，并在超導(dǎo)帶材表面上，依據(jù)一定距離安放2-3組測量接頭以測量失超 電壓信號，同時在超導(dǎo)帶材中間位置還放置了磁場霍爾探頭以測量空氣隙中心區(qū)域的均勻 磁場強度。
3、 如權(quán)利要求l、 2任一所述的測量裝置，其特征在于所述超導(dǎo)帶材樣本架、固定背 景磁場磁體的支架、吊桿和旋轉(zhuǎn)桿是環(huán)氧樹脂材料加工制成。
4、 如權(quán)利要求l、 2任一所述的測量裝置，其特征在于所述低溫系統(tǒng)由密封的低溫杜 瓦，真空機組、真空泵、汽化器組成，是將真空機組連接到具有密封性的低溫杜瓦上，當 杜瓦內(nèi)裝入液氮后，通過控制真空機組的抽速，實現(xiàn)低溫杜瓦內(nèi)部的溫度逐漸降低，在低 溫杜瓦內(nèi)部，當真空機組抽取的真空度達到最高后，繼續(xù)應(yīng)用GM制冷機使杜瓦內(nèi)部液氮 的溫度進一步降低。
5、 如權(quán)利要求3任一所述的測量裝置，其特征在于所述低溫系統(tǒng)由密封的低溫杜瓦， 真空機組、真空泵、汽化器組成，是將真空機組連接到具有密封性的低溫杜瓦上，當杜瓦 內(nèi)裝入液氮后，通過控制真空機組的抽速，實現(xiàn)低溫杜瓦內(nèi)部的溫度逐漸降低，在低溫杜 瓦內(nèi)部，當真空機組抽取的真空度達到最高后，繼續(xù)應(yīng)用GM制冷機使杜瓦內(nèi)部液氮的溫 度進一步降低。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種高溫超導(dǎo)帶材臨界電流特性的測量裝置，該裝置包括超導(dǎo)帶材樣本架1，霍爾磁場探頭2，溫度探頭3，背景磁場磁體4，旋轉(zhuǎn)桿5，旋轉(zhuǎn)把手6，超導(dǎo)帶材電流引線7，背景磁場磁體電流引線8，低溫杜瓦9，冷卻介質(zhì)存儲容器10，低溫冷卻介質(zhì)11，抽氣閥門12，汽化器13，真空機組14，GM制冷機15，背場磁體直流電源16，超導(dǎo)直流電源17，系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)18。該裝置可以簡單、快速的計算溫度、背景磁場及其磁場方向變化的影響因素，適合于釔系氧化物YBCO高溫超導(dǎo)帶材臨界電流特性的測量。
文檔編號G01R31/00GK101446609SQ20081022718
公開日2009年6月3日 申請日期2008年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月25日
發(fā)明者明 丘, 張宏杰, 諸嘉慧 申請人:中國電力科學(xué)研究院