[发明专利]一种青铜工艺Nb3

说明书

一种青铜工艺Nb₃Sn超导线接头及其制备方法，由外向内分别为铜管、Ta薄膜、超导接头连接部分和支撑芯。Ta薄膜贴附在铜管内壁，支撑芯位于铜管中心，超导接头连接部分在Ta薄膜和支撑芯之间。超导线接头制备方法如下：(1)用FeCl₃溶液腐蚀待连接的Nb₃Sn线圈的进线端和出线端处的铜，露出Nb₃Sn线中的Nb多丝和支撑芯；(2)将Nb多丝分成多束，两两编织成一束；(3)将Ta薄膜插入铜管中，贴附在铜管壁内壁；把编织好的Nb多丝束插入铜管；(4)将Nb粉和青铜合金粉混合，倒入研钵中研磨；(5)混合后的Nb粉和青铜合金粉倒入插有Nb多丝的铜管中，铜管两端封口。将铜管水平放置压力机上加压；(6)将Nb₃Sn线圈连同进线端、出线端处的铜管一起进行高温热处理。

技术领域

本发明涉及一种Nb₃Sn超导线接头及其制备方法。

背景技术

随着超导磁体技术的快速发展，具有超高磁场的科研装置和设施陆续问世。这些装置具有磁场极高的特点，对极端环境多物理场运行条件下提供强磁场的超导磁体高场线圈是很大的挑战。目前强磁场装置中低温超导磁体主要是由NbTi和Nb₃Sn超导线圈组成，相比低温NbTi超导线圈，Nb₃Sn超导转变温度较高，大于18K，在4.2K时上临界磁场可达25T，4.2K/10T磁场下承载的临界电流密度约为5×10⁵A/cm²。但是超导线圈制造工艺十分复杂，且生成的A15晶体结构是一种金属间化合物，脆性大硬度高。目前还有很多工艺难点制约Nb₃Sn超导线圈的使用。

青铜工艺和内锡工艺是目前制备Nb₃Sn超导线材最广泛使用的方法。青铜工艺主要使用锡青铜作为超导线的基体。将Nb合金棒插入锡青铜基体上打出的孔中，然后将组合后的复合体多次挤压与拉拔得到亚组元，再将若干亚组元集束一起装入稳定体铜管中，再次挤压、拉拔成最终的尺寸，最后再将线材进行600℃～800℃热处理得到A15 相Nb₃Sn超导体。

Nb₃Sn超导磁体需要超导接头将多个独立的Nb₃Sn磁体线圈连接。因为对于Nb₃Sn低温超导线材，绕制大型的超导磁体通常需要几十甚至几百千米的超导线。由于受到超导线加工工艺和设备的限制，要制造单根几十千米长的超导线难度极大且成本较高，因此实际制造出的每根超导线的长度往往在几百米到几千米，这就需要制作将若干根超导线连接起来的超导接头。此外，对于诸如磁共振等应用场合，对于磁体空间的要求和磁场均匀度的要求很高，同时需要保证超导磁体能够在低温环境下闭环运行，需要制作高场超导接头。对于闭环运行的Nb₃Sn超导磁体，特别针对需要高磁场均匀度的磁共振高场超导磁体，要求Nb₃Sn的超导接头具有低电阻特性。因为Nb₃Sn超导体在热处理后超导相变成脆弱的陶瓷相，很难在超导线上进行操作，否则将会在Nb₃Sn超导体中造成不会恢复的损伤，这就进一步限制了高性能Nb₃Sn超导磁体的制作。

超导接头的制备工艺技术有很多，例如钎焊、冷压焊、扩散焊、熔焊、烧结法等等。其中，钎焊、熔焊和冷压焊工艺出现较早，目前使用比较广泛；扩散焊和烧结法工艺出现较晚，目前基本还处于实验室水平。由于超导材料的复杂的物理结构和特殊的物质特性，在连接的接头部分保证其性能完全不变化是非常困难的。与母线相比，接头的物理构成通常相当复杂。化学和热机械过程应用于长丝扰乱了化学和微观结构，局部改变了超导特性，最显著的是它们的上临界场(H c2)和临界电流密度(Jc)。