專利名稱：一種高溫超導(dǎo)帶材臨界電流特性的測量方法
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方法，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) 方法。
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/cm"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(biāo)。
釔系氧化物YBCO高溫超導(dǎo)帶材的丄一B—0臨界電流特性曲線，如圖1所示。圖2 則是第1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(dāng)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)計一種新穎的方法，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方法。
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。釔系氧化物YBCO高溫超導(dǎo)帶材放置在具有均勻磁場強 度的背景磁場環(huán)境中，背景磁場由直流磁體產(chǎn)生，直流磁體為雙"E"形鐵芯。在該鐵芯中 心立柱上，安放有兩個線圈，并且中部有一長條形空氣隙。當(dāng)線圈通入一定直流電流時， 該空氣隙內(nèi)能夠產(chǎn)生均勻分布的磁場，磁場值由放置在磁場區(qū)域中心的霍爾探頭進行測 量。當(dāng)釔系氧化物YBCO超導(dǎo)帶材平行于空氣隙放置時，磁場方向垂直于釔系氧化物YBCO 超導(dǎo)帶材表面，當(dāng)釔系氧化物YBCO超導(dǎo)帶材被旋轉(zhuǎn)過一個角度后，磁場方向與釔系氧化 物YBCO超導(dǎo)帶材的夾角可以通過位置幾何關(guān)系得到。本發(fā)明的測量方法可以準(zhǔn)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。該測量方法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。因此，本發(fā)明提出了一種高溫超導(dǎo)帶材臨界電流特性的測量方法，其特征在于首先通 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的直流電流，根據(jù) 標(biāo)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)測量超導(dǎo)帶材的臨界電流特性，形成數(shù)據(jù)文件 進行輸出。
依據(jù)本發(fā)明的測量方法，其特征還在于所述背景磁場由直流磁體產(chǎn)生，直流磁體為雙 "E"形鐵芯，在該鐵芯中心立柱上，設(shè)置有兩個線圈，并且鐵芯的中部有一長條形空氣隙， 當(dāng)線圈通入一定的直流電流時，該空氣隙內(nèi)能夠產(chǎn)生均勻分布的磁場，磁場值由放置在磁 場區(qū)域中心的霍爾探頭進行測量。
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試方法具有以下效 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YBC0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YBC0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YBC0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)明的測量方法的組成示意圖，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，示出了應(yīng)用本發(fā)明方法的裝置包括超導(dǎo)帶材樣本架l，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IO，低溫冷卻介質(zhì)ll，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(dāng)中。當(dāng)進行釔系氧化物YBC0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YBC0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YBC0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。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YBC0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(biāo)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)明的測量方法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。
權(quán)利要求
1、一種高溫超導(dǎo)帶材臨界電流特性的測量方法，其特征在于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的直流電流，根據(jù)標(biāo)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)測量超導(dǎo)帶材的臨界電流特性，形成數(shù)據(jù)文件進行輸出。
2、如權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于所述背景磁場由直流磁體產(chǎn)生，直流磁 體為雙"E"形鐵芯，在該鐵芯中心立柱上，設(shè)置有兩個線圈，并且鐵芯的中部有一長條形 空氣隙，當(dāng)線圈通入一定的直流電流時，該空氣隙內(nèi)能夠產(chǎn)生均勻分布的磁場，磁場值由 放置在磁場區(qū)域中心的霍爾探頭進行測量。
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方法，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的直流電流，根據(jù)標(biāo)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)測量超導(dǎo)帶材的臨界電流特性，形成數(shù)據(jù)文件進行輸出。該測量方法可以簡單、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G01R31/00GK101446612SQ20081022718
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)明者張宏杰, 諸嘉慧, 斌 魏 申請人:中國電力科學(xué)研究院