丁發(fā)柱張京業(yè) 譚運飛 陳治友 董澤斌張慧亮 商紅靜 許文娟 張賀 屈飛高召順 周微微 古宏偉

1)(中國科學院電工研究所,北京 100190)

2)(中國科學院應(yīng)用超導重點實驗室,北京 100190)

3)(中國科學院大學,北京 100049)

4)(中國科學院強磁場科學中心,合肥 230031)

1 引 言

基于零電阻和完全抗磁性的超導材料發(fā)展的超導磁體與常規(guī)磁體相比具有磁場強度高、損耗小、重量輕、體積緊湊等優(yōu)點.隨著超導磁體技術(shù)的發(fā)展,超導磁體在醫(yī)療器械、大科學工程、能源和交通運輸、電力工業(yè)和國防領(lǐng)域等方面獲得了廣泛的應(yīng)用.目前,在某些大型應(yīng)用場合如高能加速器、高能粒子探測器、核聚變裝置等方面,超導磁體的應(yīng)用已較為普遍,而且在一些特定領(lǐng)域超導磁體幾乎是唯一的選擇[1].超導磁共振成像更是超導磁體在工業(yè)應(yīng)用中的代表.此外,現(xiàn)在的科研工作往往要求一些極端條件如高磁場強度、均勻性好等的環(huán)境下來研究材料及微觀粒子的特性,超導磁體的發(fā)展為這些科研工作提供了很好的保障.

超導磁體根據(jù)所使用的超導材料不同可以分為低溫超導磁體和高溫超導磁體.目前能夠應(yīng)用或可能大規(guī)模應(yīng)用的超導材料包括NbTi,Nb3Sn,MgB2,BiSrCaCuO和YBa2Cu3O7?x(YBCO)等材料.NbTi和Nb3Sn超導材料的臨界轉(zhuǎn)變溫度都不高于25 K,由它們繞制的超導磁體大都運行在20 K以下的溫度環(huán)境,屬于低溫超導磁體.由臨界轉(zhuǎn)變溫度高于25 K的MgB2,BiSrCaCuO和YBCO超導材料繞制的磁體為高溫超導磁體.與低溫超導磁體相比,高溫超導磁體運行溫度高、低溫系統(tǒng)簡單、運行費用低、溫度裕度大、穩(wěn)定性好,具有低溫超導磁體所不可比擬的優(yōu)越性.目前多采用制冷機直接冷卻超導磁體,可以極大地簡化系統(tǒng)的復雜性,使系統(tǒng)緊湊并避免使用液氦浸泡冷卻磁體帶來的問題.而且,現(xiàn)行的Gifford-McMahon(GM)制冷機在4—5 K的溫度下僅僅能夠提供1—1.5 W的制冷量.另一方面,高溫超導裝置運行于較高的溫度(≥20 K)下,此時材料的熱導率和比熱都已提高,這使得裝置的穩(wěn)定性問題容易得以解決.在運行溫度大于20 K時,經(jīng)濟實用的單級GM機也能夠提供數(shù)十瓦的冷量.這樣高溫超導磁體就有可能承受因交流諧波或快速勵磁產(chǎn)生的更大的熱負荷.同時較高的運行溫度可簡化低溫容器的設(shè)計和減少制造費用.所以,開展高溫超導磁體的研究不僅對于尖端高能物理實驗領(lǐng)域的研究有重要意義,并且對推動超導磁體的工業(yè)化應(yīng)用也極具價值.

盡管Bi系帶材和Y系帶材的臨界轉(zhuǎn)變溫度都高于77 K,但在77 K下Bi系帶材的不可逆場只有0.2 T,而Y系超導材料的不可逆場可以達到5—7 T[2?4],遠高于Bi系超導材料,突破了第一代高溫超導帶材只能用于弱磁場的限制,可全面滿足高溫區(qū)(液氮溫區(qū))、強磁場的強電領(lǐng)域應(yīng)用,大大推動超導電力技術(shù)實用化進程.尤其是近10年來第二代高溫超導帶材的研究取得了突飛猛進的進展,國內(nèi)外至少有4家制備出千米級的高溫涂層導體[5?7].國內(nèi)蘇州新材料研究所有限公司聯(lián)合中國科學院電工研究所、東北大學等科研機構(gòu),于2016年所制備出的單根長度達1130 m的帶材的最小超導臨界電流達570 A/cm(77 K,自場),帶材的制作水平標識參數(shù)(單根長度與臨界電流的乘積)達644100 A·m.此外,通過在YBCO超導薄膜中引入釘扎中心,不管是原位生長法(如脈沖激光沉積法)還是非原位生長法(如化學溶液法)制備YBCO薄膜的臨界電流密度有了大幅提升[8?14].隨著第二代高溫超導帶材的快速發(fā)展,包括美國超導公司、日本國際超導研究中心、韓國電氣工程與科學研究所、中國電力科學院和中國科學院電工研究所等國內(nèi)外主要研究機構(gòu)最近幾年已經(jīng)開始對基于YBCO高溫超導帶材的超導磁體進行研制[15?17].2013年,美國麻省理工學院Francis Bitter磁體實驗室采用YBCO超導膜研制出便攜式的核磁共振(NMR)超導磁體[18,19].美國阿貢國家實驗室采用SuNAM公司的第二代高溫超導帶材研制出波蕩器磁體,比NbTi磁體具有更高的工程電流密度,所要求的制冷系統(tǒng)更為簡單、成本更低[20].2016年,韓國SuNAM公司聯(lián)合美國麻省理工學院Francis Bitter磁體實驗室研制出直徑為35 mm、場強為26.4 T(4.2 K)全ReBCO帶材高溫超導磁體[21].中國科學院電工研究所王秋良等[22]采用美國超導公司(AMSC)和韓國SuNAM公司的第二代高溫超導帶材于2017年研制出含有10 T釔鋇銅氧高溫超導內(nèi)插磁體的25 T全超導磁體.

由以上結(jié)果可見,基于第二代高溫超導帶材研發(fā)的無論是NMR磁體、波蕩器磁體還是高場磁體都具有獨特的優(yōu)勢,已經(jīng)成為超導電力裝置領(lǐng)域近年來研究的重點.但上述超導磁體都是采用國外極少數(shù)廠商或科研機構(gòu)的第二代高溫超導帶材,在帶材價格和知識產(chǎn)權(quán)上都受制于人,對推動我國涂層導體的實用化和高溫超導電力技術(shù)方面影響有限,尤其是對國產(chǎn)超導磁體等超導電力裝置在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用限制更為明顯.為此,我們在國內(nèi)蘇州新材料研究所有限公司研發(fā)的第二代高溫超導帶材超導性能的基礎(chǔ)上,經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計研制了高溫超導線圈,并在不同溫區(qū)對其性能進行了測試.

2 國產(chǎn)二代高溫超導線圈設(shè)計

2.1 第二代高溫超導帶材的性能研究

低溫超導磁體的設(shè)計方法、技術(shù)已經(jīng)比較成熟,它的許多設(shè)計方法可以在高溫超導磁體的設(shè)計上直接應(yīng)用.然而,由于高溫超導體的許多特性,如導體的形狀、結(jié)構(gòu)、機械性能、熱穩(wěn)定性和強各向異性等明顯不同于低溫超導體,其臨界電流特性亦不相同.并且在待使用的磁場和溫度范圍內(nèi),對第二代高溫超導帶材的臨界電流密度(Jc)進行實驗測量,也是為獲得設(shè)計所需要的Jc(B,T)可采用的一種方法.蘇州新材料研究所有限公司研發(fā)的第二代高溫超導帶材結(jié)構(gòu)包括哈氏合金、隔離層、種子層、離子束輔助沉積(IBAD)的MgO模板層、LaMnO3匹配緩沖層、超導層和保護層.圖1(a)為在千米帶材上采用IBAD技術(shù)沉積MgO過程中不同位置的高能電子衍射(RHEED)圖譜.從圖1(a)可以看出,整根帶材中IBAD-MgO層具有良好的雙軸織構(gòu).在千米級長帶上LaMnO3緩沖層面內(nèi)織構(gòu)小于5.5°,面外織構(gòu)小于2.1°,如圖1(b)所示.

圖1 第二代高溫超導帶材的微觀結(jié)構(gòu) (a)IBAD技術(shù)沉積MgO過程中不同位置的RHEED圖譜;(b)千米級長帶上LaMnO3緩沖層面內(nèi)織構(gòu)度Fig.1.Microstructure of second generation tapes:(a)RHEED patterns of IBAD-MgO tapes in different positions;(b)the in-plane texture of kilometers LaMnO3tapes.

首先采用四引線法對第二代高溫超導帶材進行了臨界電流的測量,在77 K下臨界電流為380 A.采用綜合物性測量系統(tǒng)中直流磁強計,通過感應(yīng)的方法測試出超導樣品在外加磁場垂直帶材(H//c)方向、升降磁場的情況下對磁場的響應(yīng)情況,從而就得到了相應(yīng)樣品的磁滯回線.根據(jù)公式

其中n為薄膜的厚度;a,b分別為薄膜樣品的寬度和長度(b＞a),Δm為在同一磁場下磁化強度的差值.計算得到Y(jié)BCO高溫超導帶材在不同溫度和磁場下的臨界電流密度,如圖2所示.隨著溫度的降低,無論在自場還是在高場下YBCO涂層導體的臨界電流密度增大.而隨著磁場強度的增加,YBCO涂層導體的臨界電流密度下降,尤其是磁場強度大于1 T時,其臨界電流密度急劇下降.

圖2 繞制磁體所使用的第二代高溫超導帶材在液氮溫區(qū)的臨界電流密度Fig.2.Critical current density for YBCO coated conductor for superconducting magnet.

2.2 高溫超導線圈設(shè)計

高溫超導磁體的優(yōu)化設(shè)計是指在滿足磁體的規(guī)格及性能要求的前提下,盡量減少超導帶材的使用量,提高超導帶材的利用率,使超導磁體的體積最小,帶材用量最少.磁體的規(guī)格和性能要求就是高溫超導磁體優(yōu)化設(shè)計的約束條件,這些約束條件一般包括磁體的磁場、超導材料的臨界特性和磁體的磁場均勻度等.要設(shè)計的高溫超導線圈的規(guī)格要求為:內(nèi)直徑為100 mm,中心磁場達到4.0 T以上,運行溫度為45 K,所使用的YBCO高溫超導帶材(包括絕緣在內(nèi))寬12.2 mm.為達到磁體的設(shè)計要求,在對YBCO高溫超導帶材性能研究的基礎(chǔ)上,進行了超導磁體的電磁有限元建模、優(yōu)化與結(jié)構(gòu)設(shè)計,并完成了磁體的方案設(shè)計.經(jīng)過一系列優(yōu)化和算法,整個磁體由大小相同的十個雙餅線圈同軸排列而成,每兩個雙餅線圈之間增加絕緣板,材質(zhì)為厚度1 mm的G10玻璃鋼,沿徑向均布36條寬8 mm的冷卻通道.圖3是優(yōu)化設(shè)計后的高溫超導磁體圖片,在45 K中心磁場4 T時的勵磁電流為321 A.超導線圈參數(shù)如表1所列.

圖3 優(yōu)化設(shè)計后高溫磁體圖 (a)在321 A時磁體內(nèi)部磁場分布圖(中心場4 T@45 K);(b)高溫超導磁體三維效果圖Fig.3.Optimized design of high temperature magnet diagram:(a)Magnetic field distribution of magnets at 321 A;(b)three-dimensional schematic diagram of high temperature superconducting magnets.

表1 4 T高溫超導線圈的設(shè)計參數(shù)表Table 1.Design parameters of 4 T HTS coil.

3 國產(chǎn)二代高溫超導線圈的研制

3.1 雙餅線圈的研制

由于目前使用的YBCO高溫超導線材都是帶狀,因此用高溫超導帶材繞制的磁體大都采用餅式結(jié)構(gòu)線圈.本文的高溫超導線圈采用雙餅線圈的形式,與單餅線圈相比,用單根超導線繞制的雙餅線圈可以使磁體內(nèi)的非超導連接數(shù)減少近一半,有利于減少磁體內(nèi)部的熱干擾以提高磁體穩(wěn)定運行能力.將測試完的YBCO高溫超導帶材進行雙餅的繞制,從帶材的中間開始繞起,繞制完畢后采用添加氮化鋁粉的環(huán)氧進行真空浸漬.

圖4 雙餅線圈的臨界電流 (a)第一個雙餅線圈的I-V曲線;(b)所有10個雙餅線圈的臨界電流Fig.4.Critical current of double-pancake superconducting coil:(a)I-V curve of first superconducting coil;(b)critical current of all ten double-pancake superconducting coils.

采用四引線法在77 K液氮溫度下對繞制完成的10個高溫超導雙餅線圈進行性能測試.采用國際判據(jù)Ec=1μV/cm,通過高溫超導雙餅線圈的電流以每秒0.5 A的速率增加,通過采集雙餅線圈的電流以及電壓,得到如圖4所示的測量曲線.測得此10個高溫超導雙餅線圈在77 K液氮溫度下的平均臨界電流為98 A,與繞制線圈前的超導帶材臨界電流380 A相比,臨界電流降低74.5%.根據(jù)磁體設(shè)計,單個雙餅線圈在77 K液氮溫度、100 A運行電流下最大磁場0.76 T、最大徑向磁場0.42 T,按照YBCO帶材在液氮溫區(qū)的B-I特性曲線計算,臨界電流在95—102 A之間,與所測數(shù)據(jù)吻合.為了研究線圈中超導帶材臨界電流下降的原因,對比了焊接前后YBCO超導帶材的臨界電流,發(fā)現(xiàn)焊接后的YBCO帶材臨界電流保持不變.并且對繞在骨架上的單匝YBCO超導帶材的臨界電流也進行了測量,與繞制前的帶材臨界電流基本一致.綜合以上情況可以說明焊接帶材和超導線繞制成超導線圈過程中機械形變不是引起臨界電流下降的主要原因,而影響高溫超導線圈性能的主要因素可能是線圈的自身磁場.

3.2 高溫超導磁體的裝配

在對每一組雙餅線圈的臨界電流測試完成后,對高溫超導線圈進行了連接、組裝和固定.圖5是采用第二代高溫超導帶材繞制的超導線圈圖片,線圈的實測參數(shù)如表2所列.

圖5 采用第二代高溫超導帶材繞制的磁體實物圖Fig.5.The picture of high-temperature superconducting magnet using by YBCO tapes.

表2 4 T高溫超導線圈的實測參數(shù)表Table 2.Measured parameters of 4 T HTS coil.

3.3 高溫超導線圈的性能測試

為了測試YBCO高溫超導線圈在77,65,55和46 K溫度下的臨界電流,采用液氦冷卻固氮的方式獲得測試所需的低溫環(huán)境.首先采用液氮冷卻并校正溫度計,在液氮浸泡線圈1.5 h完全冷卻后,線圈上部、中部和下部的溫度顯示分別為75,70和78 K,表明上、中、下部溫度計誤差分別為?2,?7和+1 K.修正后首先在溫度77 K時進行線圈的臨界電流性能測試實驗.77 K溫區(qū)勵磁實驗結(jié)束后,先采用減壓降溫方法使得溫度降至65 K,再次進行勵磁實驗,然后再采用液氦繼續(xù)冷卻,利用冷卻盤管換熱將液氮冷卻至固氮.降溫過程中分別在55 K溫區(qū)和46 K溫區(qū)進行勵磁實驗測試臨界電流.采用CRYOGENIC SMS240C超導電源和1 kA DC超導股線樣品電源以0.2—1.5 A/s的速率對超導線圈勵磁通電,檢測磁體兩端的電壓信號,以1μV/cm判據(jù)作為臨界電流判據(jù).為保護磁體安全,在超導磁體中局部區(qū)域出現(xiàn)超導-正常態(tài)轉(zhuǎn)變,觀測到磁體的端電壓有明顯上升時,即停止對磁體繼續(xù)通電,并安全下降電流,因而得到的最大測試電流并未達到磁體的臨界電流標準(1μV/cm).磁體在77,65,55和46 K溫度下的最大運行電流測試結(jié)果如圖6所示(電壓恒定為LdI/dt時會引發(fā)感應(yīng)電壓,在判斷失超時應(yīng)減掉該電壓).從圖中可以看出,YBCO超導線圈在77,65,55和46 K下的電流測試過程中均未探測到不可逆的電壓變化,因而超導線圈沒有發(fā)生失超現(xiàn)象.YBCO高溫超導線圈在77,65,55和46 K溫度下的運行電流分別為65,147,257和338 A.

圖6 高溫超導磁體在不同溫區(qū)的I-V曲線 (a)77 K;(b)65 K;(c)55 K;(d)46 KFig.6.The I-V curves of high-temperature superconducting magnet at different temperature:(a)77 K;(b)65 K;(c)55 K;(d)46 K.

圖7 高溫超導磁體的磁場分布 (a)磁場沿磁體中心軸向分布;(b)磁場沿磁體中心平面徑向的分布Fig.7.Magnetic field distribution of high-temperature superconducting magnets:(a)Along axial direction;(b)along radial direction.

采用手持式高斯計在負載1 A的條件下對YBCO高溫超導磁體的磁場分布進行了測試,結(jié)果如圖7所示.所繞制的高溫超導磁體中心磁場強度為120.8 G(1 G=10?4T),在超導磁體軸向方向距中心位置1,5,9,13和17 cm的磁場強度分別為120.5,115.7,105.5,84.7和54.6 G.在超導磁體徑向方向距中心位置1,2,3和4 cm的磁場強度分別為120.1,121.3,121.2和121.3 G.在高溫超導磁體中平面上磁場基本一致.

根據(jù)該高溫超導磁體負載1A電流對應(yīng)的磁場強度為120.8 G,可計算得到高溫超導磁體在77,65,55和46 K溫度下的中心磁場強度分別為0.78,1.77,3.1和4.08 T.

4 結(jié)論

本文成功研制出國內(nèi)首臺基于國產(chǎn)第二代高溫超導帶材的高溫超導線圈.高溫超導線圈的內(nèi)直徑為100 mm,高度為359 mm,中心磁場強度在46 K下達到4.08 T,并且在高溫超導線圈中平面上磁場基本一致.基于該高溫超導線圈產(chǎn)生的強磁場不但可以改變材料的磁學性質(zhì),制備高擇優(yōu)取向的新材料,而且在強磁場新材料合成、化學反應(yīng)和晶體生長等具有重要應(yīng)用價值.

[1]Wang Q L 2007High Magnetic Field Superconducting Magnet(Beijing:Science Press)pp118–128(in Chinese)[王秋良2007高磁場超導磁體科學(北京:科學出版社)第118—128頁]

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