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接触式超导带材临界电流测量装置

阅读:218发布:2023-01-31

专利汇可以提供接触式超导带材临界电流测量装置专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 属于超导电工学领域,特别涉及一种非 接触 式超导带材临界 电流 测量装置。励磁磁路和探测磁路平行固定在 基座 上,励磁磁路的磁化狭缝中心点与探测磁路的样品狭缝中心点等高度,励磁磁路 铁 芯和磁化狭缝构成闭合励磁磁路,探测磁路铁芯、样品狭缝和测量狭缝构成闭合探测磁路。基于磁路法的临界电流非接触式测量方法,在液氮低温条件下,先将样品在励磁磁路磁化狭缝磁化感生环形电流,再将样品置于探测磁路样品狭缝,在探测磁路测量狭缝探测环形电流驱动探测磁路产生的磁感应强度,用测得磁感应强度与标准样品对比再反算样品临界电流。本发明解决了 现有技术 要求样品与 探头 精确 定位 的缺点,测量效率高,特别适合连续测量超长超导带材临界电流。,下面是接触式超导带材临界电流测量装置专利的具体信息内容。

1.一种非接触式超导带材临界电流测量装置,其特征在于,励磁磁路和探测磁路平行固定在基座(12)上,励磁磁路芯(1)上有磁化狭缝(3),探测磁路铁芯(4)上有样品狭缝(5)和测量狭缝(6),磁化狭缝(3)中心点与样品狭缝(5)中心点等高度,安装在基座(12)上的第一导轮(10)和第二导轮(11)配合液氮容器(14)外部的放线设备和收线设备组成超导带材连续传动装置,第一导轮(10)在励磁磁路左侧,第二导轮(11)在探测磁路右侧,第一导轮(10)、磁化狭缝(3)、样品狭缝(5)和第二导轮(11)在同一条直线上,高温超导带材的样品(9)从外部的放线设备经过第一导轮(10)导向依次穿过磁化狭缝(3)和样品狭缝(5)后再经过第二导轮(12)导向传送到外部收线设备,样品运动方向(13)从励磁磁路指向探测磁路,基座(12)置于液氮容器(14)的底部,装置工作时,励磁磁路、探测磁路和样品均浸泡在液氮里;所述励磁磁路包括励磁磁路铁芯(1)和励磁线圈(2),励磁线圈(2)缠绕在励磁磁路铁芯(1)上,励磁磁路铁芯(1)和磁化狭缝(3)构成闭合磁路;所述探测磁路包括探测磁路铁芯(4)、偏置线圈(7)和测量探头(8),测量探头(8)置于测量狭缝(6)内,偏置线圈(7)缠绕在探测磁路铁芯(4)上,探测磁路铁芯(4)、样品狭缝(5)和测量狭缝(6)构成闭合磁路。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式超导带材临界电流测量装置,其特征在于,所述励磁磁路铁芯(1)为闭合铁芯一侧开磁化狭缝(3),所述探测磁路铁芯(4)为闭合铁芯两侧分别开样品狭缝(5)和测量狭缝(6),励磁磁路铁芯(1)和探测磁路铁芯(4)各自的闭合铁芯的形状为O型、矩形或多边形。
3.根据权利要求1或2所述的一种非接触式超导带材临界电流测量装置,其特征在于,所述励磁磁路铁芯(1)的材料为软磁铁芯。
4.根据权利要求1或2所述的一种非接触式超导带材临界电流测量装置,其特征在于,所述探测磁路铁芯(4)的材料为软磁铁芯。
5.根据权利要求1所述的一种非接触式超导带材临界电流测量装置,其特征在于,所述磁化狭缝(3)的磁化狭缝高度h1大于样品宽度w,磁化狭缝宽度a1大于样品厚度t。
6.根据权利要求1所述的一种非接触式超导带材临界电流测量装置,其特征在于,所述样品狭缝(5)的样品狭缝高度h2大于样品宽度w,样品狭缝宽度a2大于样品厚度t。
7.根据权利要求1所述的一种非接触式超导带材临界电流测量装置,其特征在于,所述测量探头(8)为霍尔探头或巨磁阻探头。

说明书全文

接触式超导带材临界电流测量装置

技术领域

[0001] 本发明属于超导电工学领域,特别涉及一种非接触式超导带材临界电流测量装置。

背景技术

[0002] 临界电流是反映超导带材电流携带能的最基本参数。普遍采取的测量方法是“四引线法”,即在样品两端加载电流,观测电压信号。随着电流的增加,通过观测电压的增加,以每厘米带材长度产生1微伏作为失超判据,确定超导带材的临界电流。这种方法原理简单,广泛应用于实验室级别的长度小于10cm的短样品测量。目前Bi系高温超导导线已经实现了产业化生产,单根Bi系导线长度已经超过了500米,正在发展中的Y系高温超导导线长度也已经实现了百米量级,在线检测长带整体性能和局部缺陷十分重要。作为一种接触式的测量方法,四引线法应用在长超导带材的临界电流测量有很多局限性。首先在测量中电流引线和电压引线需要与带材接触,会对超导带材造成机械损伤,其次测试效率也十分低下,不方便实现对超导长带产品的连续和快速测量。
[0003] 针对四引线法对于连续测量能力的不足,还有一种利用测量超导带材剩余磁场在空间的磁感应强度再反算临界电流的方法。用这种方法测量,超导带材样品首先通过一个背景磁场,通常背景磁场需要大于两倍的最大穿透场,然后将经过磁化后的超导带材样品移出背景磁场,此时在超导带材内部会感生出类似涡流的环形电流,由于超导材料自身电阻很小,该环形电流会长时间存在,并产生一个磁场,通常称该磁场为剩余磁场,剩余磁场在空间具有一定分布。在与带材表面相对位置固定点放置磁场探测元件,通常为霍尔探头,测量带材表面某点的磁感应强度。探头与样品相对位置固定时,测量到剩余磁场的磁感应强度幅值与带材临界电流具有正比的关系,可反算带材对应的临界电流。该测试方法已经发展多年,成为比较标准的测试方法,也有相关产品问世。但这种方法的主要缺点是带材与霍尔探头之间需要精确定位,由于剩余磁场在空间具有一定的分布,利用霍尔探头测量仅仅是测量一个点或者几个点的磁感应强度,从本质上讲是一种“以点代面”的方法,带材与霍尔探头微小的相对位置改变,无论是左右的偏移,还是上下的偏移,都会对最终测试结果产生很大的影响。通常百微米级别的样品与探头的左右或上下位置偏移都会对测量结果产生很大误差,测量者无法判断磁场读数变化是由于带材与探头相对位置变化导致的还是由于带材本身临界电流的变化导致的。基于这种原理的临界电流连续测量装置,为了尽可能保持霍尔探头与样品相对位置的稳定,带材传动装置需要精密设计,并且以牺牲传动速度来进一步提高样品与霍尔探头相对位置的稳定,造成测量效率低下。即便如此,利用这种方法测试带材临界电流,其本底噪音都在几个安培左右。
[0004] 针对上述利用测量超导带材剩余磁场在空间的磁感应强度再反算临界电流的方法的临界电流测量装置的缺点,需要一种新型的基于磁路法的非接触式临界电流测量方法。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为了解决现有技术中利用测量超导带材剩余磁场在空间的磁感应强度再反算临界电流的方法,即“以点代面”的霍尔探头在超导带材表面测量剩余磁场磁感应强度,要求探头与样品之间定位精度高,测量误差大,效率低等缺点。基于磁路法的非接触式临界电流测量方法,提供一种非接触式超导带材临界电流测量装置,其特征在于,励磁磁路和探测磁路平行固定在基座12上,励磁磁路芯1上有磁化狭缝3,探测磁路铁芯4上有样品狭缝5和测量狭缝6,磁化狭缝3中心点与样品狭缝5中心点等高度,安装在基座12上的第一导轮10和第二导轮11配合液氮容器14外部的放线设备和收线设备组成超导带材连续传动装置,第一导轮10在励磁磁路左侧,第二导轮11在探测磁路右侧,第一导轮
10、磁化狭缝3、样品狭缝5和第二导轮11在同一条直线上,高温超导带材的样品9从外部的放线设备经过第一导轮10导向依次穿过磁化狭缝3和样品狭缝5后再经过第二导轮11导向传送到外部收线设备,样品运动方向13从励磁磁路指向探测磁路,基座12置于液氮容器14的底部,装置工作时,励磁磁路、探测磁路和样品均浸泡在液氮里;所述励磁磁路包括励磁磁路铁芯1和励磁线圈2,励磁线圈2缠绕在励磁磁路铁芯1上,励磁磁路铁芯1和磁化狭缝3构成一个闭合磁路;所述探测磁路包括探测磁路铁芯4、偏置线圈7和测量探头8,测量探头8置于测量狭缝6内,偏置线圈7缠绕在探测磁路铁芯4上,探测磁路铁芯4、样品狭缝5和测量狭缝6构成另一个闭合磁路。
[0006] 所述励磁磁路铁芯1和探测磁路铁芯4均为闭合铁芯,形状为O型、矩形或闭合多边形。
[0007] 所述励磁磁路铁芯1的材料为软磁铁芯或硬磁材料,用硬磁材料时,不需励磁线圈。
[0008] 所述探测磁路铁芯4的材料为软磁铁芯。
[0009] 所述磁化狭缝3的磁化狭缝高度h1大于样品宽度w,磁化狭缝宽度a1大于样品厚度t。
[0010] 所述样品狭缝5的样品狭缝高度h2大于样品宽度w,样品狭缝宽度a2大于样品厚度t。
[0011] 所述测量探头8为霍尔探头或巨磁阻探头。
[0012] 本发明基于磁路法的非接触临界电流测量,测量装置的核心部件由励磁磁路和探测磁路组成,并置于低温液氮容器内。为了完成对长超导带材的连续测量,还配有带材连续传动装置。
[0013] 装置基本工作流程如下:在液氮低温条件下,待测的高温超导带材样品由传动装置驱动,首先经过励磁磁路磁化产生环形电流,再在探测磁路内探测该环形电流驱动探测磁路产生的磁感应强度,用测得磁感应强度反算样品的临界电流。
[0014] 励磁磁路是铁磁性磁路,励磁磁路铁芯和磁化狭缝构成一个闭合磁路。软磁铁芯通过励磁线圈加载电流,励磁磁路在磁化狭缝产生背景磁场,或者硬磁材料的励磁磁路铁芯直接产生背景磁场,磁化待测的超导带材样品。超导带材样品经过磁化狭缝,内部感生出类似涡流的环形电流。
[0015] 探测磁路也是铁磁性磁路,磁路为探测磁路铁芯、样品狭缝和测量狭缝构成的闭合磁路。铁芯由软铁磁性材料制成。待测的高温超导带材样品经过励磁磁路磁化后,产生环形电流,携带环形电流的样品经过样品狭缝时,会驱动整个探测磁路产生磁通。测量狭缝内放置磁场测量探头测量狭缝处的磁感应强度的大小,反映样品驱动磁路的能力,进而推算该超导带材的临界电流。对于同批次(带材宽度和厚度都相同)的超导带材,测量狭缝处的磁感应强度大小与临界电流成正比。通过测量已知临界电流的标准样品,其它样品与标准样品比对,就可以得到所测样品的临界电流。
[0016] 由于铁磁性材料具有非线性特性,即非线性的B-H关系,利用探测磁路铁芯上缠绕的偏置线圈7通以偏置电流,调整磁路达到最佳工作点。
[0017] 探测磁路厚度d2,即沿带材传动方向的磁路厚度决定测量装置对样品的空间分辨率。探测磁路厚度d2越小,所测样品局部信息反映得越充分;探测磁路厚度d2越大,对所测样品整体通流能力反映得越充分。探测磁路厚度d2可根据使用者需求确定。
[0018] 本发明的测量装置特别适合扁平状高温超导带材临界电流测试,所测样品可以为Bi2223/Ag高温超导带材,也可以为YBCO高温超导带材。
[0019] 本发明和现有技术中利用测量剩余磁场在空间的磁感应强度反算临界电流的方法的基本原理都是基于超导带材经过励磁磁路之后会产生类似涡流状的环形电流,环形电流产生剩余磁场,剩余磁场在空间具有一定分布。现有技术的方法要在样品表面固定处利用霍尔探头测量磁感应强度,实际上是测量该剩余磁场在空间某一个点或者某几个点的磁感应强度,即“以点代面”反算临界电流,由此带来一系列如样品与探头之间需要精确定位等问题。而本发明基于磁路法的非接触式临界电流测量方法,是通过测量样品环形电流对磁路的整体驱动能力反算临界电流。形象而言,该环形电流相当于一般磁路中的驱动线圈,物理本质上,该驱动力实际上是样品环形电流在样品狭缝处的磁矩。在测量狭缝放置的磁场测量探头测量环形电流驱动磁路产生的磁感应强度,这个磁感应强度与临界电流成正比,因此本发明是对样品环形电流驱动力的整体测量。对于同批次超导带材(带材厚度,宽度都一致),环形电流的驱动能力与临界电流成正比,通过与标准样品或者标定线圈对比算出样品的临界电流。
[0020] 本发明的有益效果为,本发明从物理本质上解决现有技术测量方法的“以点代面”局限性,实现了对样品整体临界电流性能的测量。测量过程中带材的左右偏移或上下偏移即便达到几个毫米,对于测量结果的影响小于百分之一。测量时只要样品不被移出样品狭缝,其左右或上下的偏移不会改变样品的环形电流,不会对驱动磁路能力发生变化,在测量狭缝测量到的磁感应强度也不会发生变化,不会对临界电流测试结果产生影响,从根本上解决了现有技术要求样品与探头精确定位的缺点,使得带材传动系统设计复杂程度大幅度降低,还可以大幅度提高走带速度和测量效率。特别适合工业化超长带材临界电流连续测量。附图说明
[0021] 图1为非接触式超导带材临界电流测量装置实施例示意图;
[0022] 图2为励磁磁路结构示意图;
[0023] 图3为样品经励磁磁路磁化携带的环形电流以及与样品狭缝相对位置关系示意图,图中箭头表示环形电流的方向;
[0024] 图4为探测磁路结构示意图;
[0025] 图5为标定线圈使用示意图。
[0026] 图中,1--励磁磁路铁芯,2--励磁线圈,3--磁化狭缝,4--探测磁路铁芯,5--样品狭缝,6--测量狭缝,7--偏置线圈,8--测量探头,9--样品,10--第一导轮,11--第二导轮,12--基座,13--样品运动方向,14--液氮容器,15--标定线圈。

具体实施方式

[0027] 以下结合附图和实施例详细说明基于磁路法的非接触式超导带材临界电流测量装置工作原理、测量流程和测试结果。
[0028] 非接触式超导带材临界电流测量装置实施例示意图如图1所示,励磁磁路在左边,探测磁路在右边,两者平行固定在基座12上,磁化狭缝3和样品狭缝5均向下,励磁磁路的磁化狭缝3中心点和探测磁路的样品狭缝5中心点高度相同,为了实现长带材的连续测量,安装在基座12上的第一导轮10和第二导轮11配合液氮容器14外部的放线设备和收线设备组成超导带材连续传动装置,第一导轮10在励磁磁路左侧,第二导轮11在探测磁路右侧,第一导轮10、磁化狭缝3、样品狭缝5和第二导轮11在同一条直线上,高温超导带材的样品9从外部的放线设备经过第一导轮10导向依次穿过磁化狭缝3和样品狭缝5后再经过第二导轮11导向传送到外部收线设备,样品运动方向13从励磁磁路指向探测磁路。基座12置于液氮容器14的底部,装置工作时,励磁磁路、探测磁路和样品均浸泡在液氮之中。励磁磁路包括励磁磁路铁芯1和励磁线圈2,励磁磁路铁芯1为闭合O型软磁铁芯,在铁芯上径向切割出磁化狭缝3,励磁线圈2缠绕在励磁磁路铁芯1上,励磁磁路铁芯1和磁化狭缝3构成一个闭合磁路。探测磁路包括探测磁路铁芯4、偏置线圈7和测量探头8,探测磁路铁芯4为闭合O型软磁铁芯,在铁芯的同一条直径两端分别切割出样品狭缝5和测量狭缝6,测量探头8为霍尔探头置于测量狭缝6内,偏置线圈7缠绕在探测磁路铁芯4上,探测磁路铁芯4、样品狭缝5和测量狭缝6构成另一个闭合磁路。
[0029] 本测量装置用于扁平状高温超导带材样品测试。这种结构的高温超导导线,除了已经得到工业化生产的Bi2223带材,还有已经初步具备实验室规模产业化的YBCO高温超导带材。励磁线圈2通以电流在磁化狭缝3中产生背景磁场,磁化超导带材的样品9。样品经背景磁场磁化后,进入样品狭缝5。样品9被磁化后携带感生的环形电流通过样品狭缝5,驱动整个探测磁路产生磁通。霍尔探头测量的测量狭缝6处磁感应强度大小正比样品环形电流驱动能力,环形电流驱动能力正比样品的临界电流,进而推算超导带材样品的临界电流。在测量狭缝6中放置的测量探头8测量狭缝中的磁感应强度大小,偏置线圈7用于调整探测磁路工作在最佳工作点。
[0030] 待测样品选取Bi2223/Ag高温超导带材,该带材的基本几何参数为宽度4.3mm、厚度0.25mm。
[0031] 如图2所示,本实施例的励磁磁路中,励磁磁路铁芯1采用一个初始外径r2=50mm、内径r1=40mm的闭合O型电工纯铁铁芯,一侧径向开缝获得磁化狭缝3,磁化狭缝宽度a1为1mm,可满足样品厚度t为0.25mm的样品穿过,磁化狭缝高度h1为10mm,励磁磁路厚度d1为20mm。励磁线圈2绕制100。励磁磁路中磁化狭缝3提供的背景磁场至少大于二倍的被测超导带材的最大穿透场。调整励磁线圈电流在磁化狭缝3中产生大于0.15T的磁场。样品9经过磁化狭缝3中的背景磁场磁化,内部产生一个类似涡流的环形电流,携带环形电流的样品9再进入样品狭缝5,如图3所示,图中箭头表示环形电流的方向。
[0032] 如图4所示,本实施例的探测磁路中,探测磁路铁芯4采用一个初始外径r4=40mm、内径r3=30mm的闭合O型电工纯铁铁芯,用两侧对称开缝的方式,即在铁芯同一条直径两端切割获得样品狭缝5和测量狭缝6。样品狭缝宽度a2和测量狭缝宽度a3均为1mm,样品狭缝高度h2为10mm,大于样品宽度w的4.3mm。样品狭缝5沿带材移动方向的探测磁路厚度d2为10mm。磁场测量元件采取霍尔探头。
[0033] 对于同型号的同批次超导带材样品,即带材的宽度厚度都相同的被测样品,测量狭缝中的磁感应强度与样品的临界电流成正比,通过对比标准样品就可以得到超导带材样品各段的临界电流。具体方法是,从一根待测的长带材上剪下一段5cm长样品作为标准样品,利用传统的四引线法测量标准样品的临界电流,记为I0。再利用本发明测量装置测量该标准样品,在测量狭缝6处测得一个磁感应强度,记为B0,再用本发明测量装置测量长带材样品各段的磁场值B,并与B0对比,按照磁感应强度大小与临界电流成正比的关系就可以得到被测样品其它各段的临界电流。表1列出待测样品Bi2223/Ag高温超导带材5段样品分别利用四引线法和基于磁路法的本实施例测试临界电流的到的结果,其中1号样品表一[0034]样品编号 1 2 3 4 5
磁路法(A) 87.3 66.3 59.0 68.2 66.8
四点法(A) 87.3 65.0 58.2 67.9 66.0
[0035] 为测试过程中选取的标准样品。可以看出利用磁路法与四引线法测试结果基本一致,充分说明了磁路方法的有效性。
[0036] 为了说明本发明的优势,选取1号样品在样品狭缝高度h2内上下2.5mm范围移动样品,但样品不得移出样品狭缝5,测量狭缝6处磁感应强度变化小于1%。可见本发明的磁路法测量相对于现有技术在带材表面测量磁感应强度再反算临界电流的方法在测量可靠性和稳定性方面的优势。
[0037] 在测量狭缝6的磁感应强度再反算临界电流,除上述用标准样品进行对比,还可与标定线圈对比算出样品的临界电流。图5为标定线圈15使用示意图,标定线圈15为一个矩形线圈,其宽度为X,长度为Y,线圈的最大宽度需小于探测磁路的样品狭缝高度h2,线圈的最小长度必须大于探测磁路厚度d2。标定线圈15放置在样品狭缝5内,通以标定电流I。由于标定线圈15结构已知,可知标定线圈15在样品狭缝内的磁矩,由此可以精确标定测量狭缝6处的磁感应强度与驱动力之间的关系,再由这个关系就可以反算样品的临界电流。
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