專利名稱：一種高溫超導帶材臨界電流特性的測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及第2代高溫超導帶材臨界電流特性的測量裝置，特別涉及到釔系氧化物 YBCO超導帶材在不同溫度區間，在不同背景磁場及磁場方向下臨界電流特性的測量實現 裝置。
背景技術：
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 非織構的金屬(一般為鎳合金)帶上獲得了一層高度織構釔穩定的氧化鋯(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化， 于1995年宣布制成在77K溫度下超導臨界電流密度達到1 MA/cn^的短樣，這一結果引起 了世界范圍的轟動，并吸引了越來越多的研究機構和科學家的介入。
較之第1代BSCCO高溫超導帶材，第2代釔系氧化物YBCO高溫超導帶材具有一系 列明顯的優勢物理特性上電流密度更高，發生超導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；在液氮溫區在較高的磁場下具有比第1 代高溫超導材料更好的載流能力，其超導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 超導帶材的臨界電流隨溫度、背景磁場和磁場方向的變化規律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技術指標。
釔系氧化物YBCO高溫超導帶材的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高溫超導帶材與第1代高溫超導帶材類似，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，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高溫超導帶材有不同于第1代BSCCO高溫超導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。
傳統的測量超導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帶材通入 一定直流電流，另外兩條引線測量超導帶材端電壓，以l^V/cm為失超判據來確定該超導 線的臨界電流。圖3為傳統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lpV/cm為失超判據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，并不能夠對超導帶材的性能做出完整的評測。 尤其對于釔系氧化物YBCO高溫超導帶材，由于具有不同于第1代高溫超導帶材的特殊的 臨界電流特性，其臨界電流值不僅隨環境溫度變化，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，設計一種新穎的裝置，綜合考慮環境溫度、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高溫超導帶材臨界電流性能參數，為高溫超導磁體優化設計提供前提條件。
發明內容
本發明設計了一種簡單、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高溫超導帶材臨界電流特性測量的裝置。
本發明的測量方法是基于四引線法，構造了一個集成有背景磁場發生器的減壓降溫的 真空裝置樣機，應用該裝置，實現釔系氧化物YBCO超導帶材在不同溫區、不同磁場及磁 場方向下的臨界電流特性的測量。本發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超導帶材特性，進行釔系氧化物YBCO超 導帶材的生產和應用具有重要的實用價值。
本發明的一種超導帶材臨界電流特性測量裝置，其特征在于包括超導帶材樣本架，霍 爾磁場探頭，溫度探頭，背景磁場磁體，旋轉桿，旋轉把手，超導帶材電流引線，背景磁 場磁體電流引線，低溫杜瓦，冷卻介質存儲容器，低溫冷卻介質，抽氣閥門，汽化器，真 空機組，GM制冷機，背場磁體直流電源，超導直流電源，系統控制、數據采集及處理系統。 其中冷卻介質存儲容器，抽氣閥門，汽化器，真空機組，GM制冷機，直流電源，系統控制、 數據采集及處理系統置于室溫環境，超導帶材樣本架，霍爾磁場探頭，溫度探頭，背景磁場磁體，旋轉桿，背場磁體電流引線，超導帶材電流引線均置于低溫容器中的冷卻介質當 中。所述低溫度杜瓦內部設置具有均勻空氣隙的背景磁場磁體，超導帶材能在該磁體的氣 隙中處于穩恒磁場的環境中。
本發明的測量裝置，其特征在于在所述樣本架上安放了為超導帶材通入直流電流的夾 片，并在超導帶材表面上，依據一定距離安放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域的均勻磁場強度。
本發明的測量裝置，其特征在于所述超導帶材樣本架、固定背景磁場磁體的支架、吊 桿和旋轉桿是環氧樹脂材料加工制成。
本發明的測量裝置，其特征在于所述低溫系統由密封的低溫杜瓦，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，當杜瓦內裝入液氮后，通過 控制真空機組的抽速，實現低溫杜瓦內部的溫度逐漸降低，在低溫杜瓦內部，當真空機組 抽取的真空度達到最高后，繼續應用GM制冷機使杜瓦內部液氮的溫度進一步降低。
本發明設計的釔系氧化物YBC0高溫超導帶材臨界電流特性測量裝置具有以下效 果和優點
(1) 能夠測量釔系氧化物YBC0高溫超導帶材在溫度、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) 設計了減壓降溫的低溫系統，從而可以利用液氮冷卻劑實現釔系氧化物YBCO超 導帶材在77K或者低于77K溫度范圍區間內的臨界電流特性測量；
(3) 背景磁場發生裝置中的直流磁體為釔系氧化物YBCO超導帶材臨界電流特性測量 提供了背場，能夠根據需要通過控制磁體線圈的直流電流得到給定磁感應強度值 下的穩恒磁場；
(4) 在背場磁體的空氣隙中，釔系氧化物YBCO高溫超導帶材能隨樣本架在0—90度 范圍內旋轉，通過帶材表面與磁場夾角的變化從而等效實現背景磁場方向的改 變；
(5) 控制和測試系統能夠實現對超導直流電源的遠程控制、對低溫系統溫度和背景磁 場大小的監控，同時采集和處理由四引線法測得的釔系氧化物YBCO超導帶材的 臨界電流特性參數。
下面結合附圖對本發明進一步說明。圖1示出了釔系氧化物YBCO高溫超導帶材臨界電流特性； 圖2示出了 BSCC0高溫超導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高溫超導帶材臨界電流的定義方法；
圖5示出了本發明測量裝置組成示意圖，其中1-超導帶材樣本架，2-霍爾磁場探頭，
3-溫度探頭，4-背景磁場磁體，5-旋轉桿，6-旋轉把手，7-超導帶材電流引線，8-背景磁 場磁體電流引線，9-低溫杜瓦，10-冷卻介質存儲容器，11-低溫冷卻介質，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-超導直流電源，18-系統控制、數據采集及處理系統；
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-超導帶材，23-鐵芯。
具體實施例方式
如圖5所示，應用本發明方法的裝置包括超導帶材樣本架1，霍爾磁場探頭2，溫度 探頭3，背景磁場磁體4，旋轉桿5，旋轉把手6，超導帶材電流引線7，背景磁場磁體電 流引線8，低溫杜瓦9，冷卻介質存儲容器10，低溫冷卻介質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，超導直流電源17，系統控制、數 據采集及處理系統18。其中冷卻介質存儲容器，抽氣閥門，汽化器，真空機組，GM制冷 機，直流電源，系統控制、數據采集及處理系統置于室溫環境。超導帶材樣本架，霍爾磁 場探頭，溫度探頭，背景磁場磁體，旋轉桿，背場磁體電流引線，超導帶材電流引線均置 于低溫容器中的冷卻介質當中。當進行釔系氧化物YBCO超導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超導帶材通入直流的電流夾片，并 在釔系氧化物YBCO超導帶材表面上，依據一定距離安放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 心區域的均勻磁場強度。此外為了避免超導帶材的損傷，實現良好的絕緣效果，釔系氧化 物YBCO超導帶材樣本架、固定背景磁場磁體的支架、吊桿、旋轉桿也都采用環氧樹脂加 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。超導帶材置于樣本架上，并隨樣 本架一起在空氣隙中旋轉，從而等效實現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。由于鐵芯磁導率是空氣的萬倍以上，直流磁體產生的磁通大部分經 過鐵芯從而能夠在空氣隙中形成一個均勻的磁場區域，這樣便獲得了一個穩定的背景磁 場。
測試中，首先通過減壓降溫系統，利用真空機組對低溫杜瓦抽真空，獲得64K—77K 的超導帶材測試溫度區間。到達預期溫度后，通過電流引線給背景磁場磁體的線圈通入一 定直流電流，根據標定值可以得到空氣隙的磁感應強度。然后在一定溫度、 一定背景磁場 下，逐度旋轉杜瓦蓋外部上方的旋轉把手帶動樣本架在0-90度范圍內旋轉，在不同旋轉 角度下采用四引線法，利用系統控制、數據采集及處理系統測量釔系氧化物YBC0超導帶 材的臨界電流特性，形成數據文件進行輸出。
采用本發明的測量裝置就能夠比較方便地實現測量釔系氧化物YBC0高溫超導帶材隨 溫度、背景磁場和磁場方向變化的臨界電流特性。本裝置結構簡單，功能齊全，操作方便， 使用簡便，是超導應用和生產企業研究、檢測超導帶材特性參量的理想設備裝置。
此處已經根據特定的示例性實施例對本發明進行了描述。對本領域的技術人員來說在 不脫離本發明的范圍下進行適當的替換或修改將是顯而易見的。示例性的實施例僅僅是例 證性的，而不是對本發明的范圍的限制，本發明的范圍由所附的權利要求定義。
權利要求
1、一種高溫超導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)，旋轉桿(5)，旋轉把手(6)，超導帶材電流引線(7)，背景磁場磁體電流引線(8)，低溫杜瓦(9)，冷卻介質存儲容器(10)，低溫冷卻介質(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)，超導直流電源(17)，系統控制、數據采集及處理系統(18)；所述冷卻介質存儲容器，抽氣閥門，汽化器，真空機組，GM制冷機，直流電源，系統控制、數據采集及處理系統置于室溫環境；超導帶材樣本架，霍爾磁場探頭，溫度探頭，背景磁場磁體，旋轉桿，背場磁體電流引線，超導帶材電流引線均置于低溫容器中的冷卻介質當中；所述低溫度杜瓦內部設置具有均勻空氣隙的背景磁場磁體，超導帶材能在該磁體的氣隙中處于穩恒磁場的環境中。
2、 如權利要求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帶材通 入直流電流的夾片，并在超導帶材表面上，依據一定距離安放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域的均勻 磁場強度。
3、 如權利要求l、 2任一所述的測量裝置，其特征在于所述超導帶材樣本架、固定背 景磁場磁體的支架、吊桿和旋轉桿是環氧樹脂材料加工制成。
4、 如權利要求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 杜瓦內裝入液氮后，通過控制真空機組的抽速，實現低溫杜瓦內部的溫度逐漸降低，在低 溫杜瓦內部，當真空機組抽取的真空度達到最高后，繼續應用GM制冷機使杜瓦內部液氮 的溫度進一步降低。
5、 如權利要求3任一所述的測量裝置，其特征在于所述低溫系統由密封的低溫杜瓦， 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 內裝入液氮后，通過控制真空機組的抽速，實現低溫杜瓦內部的溫度逐漸降低，在低溫杜 瓦內部，當真空機組抽取的真空度達到最高后，繼續應用GM制冷機使杜瓦內部液氮的溫 度進一步降低。
全文摘要
本發明提供了一種高溫超導帶材臨界電流特性的測量裝置，該裝置包括超導帶材樣本架1，霍爾磁場探頭2，溫度探頭3，背景磁場磁體4，旋轉桿5，旋轉把手6，超導帶材電流引線7，背景磁場磁體電流引線8，低溫杜瓦9，冷卻介質存儲容器10，低溫冷卻介質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，超導直流電源17，系統控制、數據采集及處理系統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 優先權日2008年11月25日
發明者明 丘, 張宏杰, 諸嘉慧 申請人:中國電力科學研究院