丁發(fā)柱張京業(yè) 譚運(yùn)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(guó)科學(xué)院電工研究所,北京 100190)

2)(中國(guó)科學(xué)院應(yīng)用超導(dǎo)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

3)(中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

4)(中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心,合肥 230031)

1 引 言

基于零電阻和完全抗磁性的超導(dǎo)材料發(fā)展的超導(dǎo)磁體與常規(guī)磁體相比具有磁場(chǎng)強(qiáng)度高、損耗小、重量輕、體積緊湊等優(yōu)點(diǎn).隨著超導(dǎo)磁體技術(shù)的發(fā)展,超導(dǎo)磁體在醫(yī)療器械、大科學(xué)工程、能源和交通運(yùn)輸、電力工業(yè)和國(guó)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(chǎng)合如高能加速器、高能粒子探測(cè)器、核聚變裝置等方面,超導(dǎo)磁體的應(yīng)用已較為普遍,而且在一些特定領(lǐng)域超導(dǎo)磁體幾乎是唯一的選擇[1].超導(dǎo)磁共振成像更是超導(dǎo)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(chǎng)強(qiáng)度、均勻性好等的環(huán)境下來(lái)研究材料及微觀粒子的特性,超導(dǎo)磁體的發(fā)展為這些科研工作提供了很好的保障.

超導(dǎo)磁體根據(jù)所使用的超導(dǎo)材料不同可以分為低溫超導(dǎo)磁體和高溫超導(dǎo)磁體.目前能夠應(yīng)用或可能大規(guī)模應(yīng)用的超導(dǎo)材料包括NbTi,Nb3Sn,MgB2,BiSrCaCuO和YBa2Cu3O7?x(YBCO)等材料.NbTi和Nb3Sn超導(dǎo)材料的臨界轉(zhuǎn)變溫度都不高于25 K,由它們繞制的超導(dǎo)磁體大都運(yùn)行在20 K以下的溫度環(huán)境,屬于低溫超導(dǎo)磁體.由臨界轉(zhuǎn)變溫度高于25 K的MgB2,BiSrCaCuO和YBCO超導(dǎo)材料繞制的磁體為高溫超導(dǎo)磁體.與低溫超導(dǎo)磁體相比,高溫超導(dǎo)磁體運(yùn)行溫度高、低溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)行費(fèi)用低、溫度裕度大、穩(wěn)定性好,具有低溫超導(dǎo)磁體所不可比擬的優(yōu)越性.目前多采用制冷機(jī)直接冷卻超導(dǎo)磁體,可以極大地簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜性,使系統(tǒng)緊湊并避免使用液氦浸泡冷卻磁體帶來(lái)的問題.而且,現(xiàn)行的Gifford-McMahon(GM)制冷機(jī)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(dǎo)裝置運(yùn)行于較高的溫度(≥20 K)下,此時(shí)材料的熱導(dǎo)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(yùn)行溫度大于20 K時(shí),經(jīng)濟(jì)實(shí)用的單級(jí)GM機(jī)也能夠提供數(shù)十瓦的冷量.這樣高溫超導(dǎo)磁體就有可能承受因交流諧波或快速勵(lì)磁產(chǎn)生的更大的熱負(fù)荷.同時(shí)較高的運(yùn)行溫度可簡(jiǎn)化低溫容器的設(shè)計(jì)和減少制造費(fèi)用.所以,開展高溫超導(dǎo)磁體的研究不僅對(duì)于尖端高能物理實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的研究有重要意義,并且對(duì)推動(dòng)超導(dǎo)磁體的工業(yè)化應(yīng)用也極具價(jià)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(chǎng)只有0.2 T,而Y系超導(dǎo)材料的不可逆場(chǎng)可以達(dá)到5—7 T[2?4],遠(yuǎn)高于Bi系超導(dǎo)材料,突破了第一代高溫超導(dǎo)帶材只能用于弱磁場(chǎng)的限制,可全面滿足高溫區(qū)(液氮溫區(qū))、強(qiáng)磁場(chǎng)的強(qiáng)電領(lǐng)域應(yīng)用,大大推動(dòng)超導(dǎo)電力技術(shù)實(shí)用化進(jìn)程.尤其是近10年來(lái)第二代高溫超導(dǎo)帶材的研究取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展,國(guó)內(nèi)外至少有4家制備出千米級(jí)的高溫涂層導(dǎo)體[5?7].國(guó)內(nèi)蘇州新材料研究所有限公司聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院電工研究所、東北大學(xué)等科研機(jī)構(gòu),于2016年所制備出的單根長(zhǎng)度達(dá)1130 m的帶材的最小超導(dǎo)臨界電流達(dá)570 A/cm(77 K,自場(chǎng)),帶材的制作水平標(biāo)識(shí)參數(shù)(單根長(zhǎng)度與臨界電流的乘積)達(dá)644100 A·m.此外,通過在YBCO超導(dǎo)薄膜中引入釘扎中心,不管是原位生長(zhǎng)法(如脈沖激光沉積法)還是非原位生長(zhǎng)法(如化學(xué)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(dǎo)帶材的快速發(fā)展,包括美國(guó)超導(dǎo)公司、日本國(guó)際超導(dǎo)研究中心、韓國(guó)電氣工程與科學(xué)研究所、中國(guó)電力科學(xué)院和中國(guó)科學(xué)院電工研究所等國(guó)內(nèi)外主要研究機(jī)構(gòu)最近幾年已經(jīng)開始對(duì)基于YBCO高溫超導(dǎo)帶材的超導(dǎo)磁體進(jìn)行研制[15?17].2013年,美國(guó)麻省理工學(xué)院Francis Bitter磁體實(shí)驗(yàn)室采用YBCO超導(dǎo)膜研制出便攜式的核磁共振(NMR)超導(dǎo)磁體[18,19].美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室采用SuNAM公司的第二代高溫超導(dǎo)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(jiǎn)單、成本更低[20].2016年,韓國(guó)SuNAM公司聯(lián)合美國(guó)麻省理工學(xué)院Francis Bitter磁體實(shí)驗(yàn)室研制出直徑為35 mm、場(chǎng)強(qiáng)為26.4 T(4.2 K)全ReBCO帶材高溫超導(dǎo)磁體[21].中國(guó)科學(xué)院電工研究所王秋良等[22]采用美國(guó)超導(dǎo)公司(AMSC)和韓國(guó)SuNAM公司的第二代高溫超導(dǎo)帶材于2017年研制出含有10 T釔鋇銅氧高溫超導(dǎo)內(nèi)插磁體的25 T全超導(dǎo)磁體.

由以上結(jié)果可見,基于第二代高溫超導(dǎo)帶材研發(fā)的無(wú)論是NMR磁體、波蕩器磁體還是高場(chǎng)磁體都具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),已經(jīng)成為超導(dǎo)電力裝置領(lǐng)域近年來(lái)研究的重點(diǎn).但上述超導(dǎo)磁體都是采用國(guó)外極少數(shù)廠商或科研機(jī)構(gòu)的第二代高溫超導(dǎo)帶材,在帶材價(jià)格和知識(shí)產(chǎn)權(quán)上都受制于人,對(duì)推動(dòng)我國(guó)涂層導(dǎo)體的實(shí)用化和高溫超導(dǎo)電力技術(shù)方面影響有限,尤其是對(duì)國(guó)產(chǎn)超導(dǎo)磁體等超導(dǎo)電力裝置在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用限制更為明顯.為此,我們?cè)趪?guó)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(dǎo)帶材超導(dǎo)性能的基礎(chǔ)上,經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)研制了高溫超導(dǎo)線圈,并在不同溫區(qū)對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試.

2 國(guó)產(chǎn)二代高溫超導(dǎo)線圈設(shè)計(jì)

2.1 第二代高溫超導(dǎo)帶材的性能研究

低溫超導(dǎo)磁體的設(shè)計(jì)方法、技術(shù)已經(jīng)比較成熟,它的許多設(shè)計(jì)方法可以在高溫超導(dǎo)磁體的設(shè)計(jì)上直接應(yīng)用.然而,由于高溫超導(dǎo)體的許多特性,如導(dǎo)體的形狀、結(jié)構(gòu)、機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性和強(qiáng)各向異性等明顯不同于低溫超導(dǎo)體,其臨界電流特性亦不相同.并且在待使用的磁場(chǎng)和溫度范圍內(nèi),對(duì)第二代高溫超導(dǎo)帶材的臨界電流密度(Jc)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量,也是為獲得設(shè)計(jì)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(dǎo)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(dǎo)層和保護(hù)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(jí)長(zhǎng)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(dǎo)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(jí)長(zhǎng)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(duì)第二代高溫超導(dǎo)帶材進(jìn)行了臨界電流的測(cè)量,在77 K下臨界電流為380 A.采用綜合物性測(cè)量系統(tǒng)中直流磁強(qiáng)計(jì),通過感應(yīng)的方法測(cè)試出超導(dǎo)樣品在外加磁場(chǎng)垂直帶材(H//c)方向、升降磁場(chǎng)的情況下對(duì)磁場(chǎng)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(zhǎng)度(b＞a),Δm為在同一磁場(chǎng)下磁化強(qiáng)度的差值.計(jì)算得到Y(jié)BCO高溫超導(dǎo)帶材在不同溫度和磁場(chǎng)下的臨界電流密度,如圖2所示.隨著溫度的降低,無(wú)論在自場(chǎng)還是在高場(chǎng)下YBCO涂層導(dǎo)體的臨界電流密度增大.而隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加,YBCO涂層導(dǎo)體的臨界電流密度下降,尤其是磁場(chǎng)強(qiáng)度大于1 T時(shí),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(dǎo)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(dǎo)線圈設(shè)計(jì)

高溫超導(dǎo)磁體的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dǎo)帶材的使用量,提高超導(dǎo)帶材的利用率,使超導(dǎo)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(dǎo)磁體優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件,這些約束條件一般包括磁體的磁場(chǎng)、超導(dǎo)材料的臨界特性和磁體的磁場(chǎng)均勻度等.要設(shè)計(jì)的高溫超導(dǎo)線圈的規(guī)格要求為:內(nèi)直徑為100 mm,中心磁場(chǎng)達(dá)到4.0 T以上,運(yùn)行溫度為45 K,所使用的YBCO高溫超導(dǎo)帶材(包括絕緣在內(nèi))寬12.2 mm.為達(dá)到磁體的設(shè)計(jì)要求,在對(duì)YBCO高溫超導(dǎo)帶材性能研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了超導(dǎo)磁體的電磁有限元建模、優(yōu)化與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并完成了磁體的方案設(shè)計(jì).經(jīng)過一系列優(yōu)化和算法,整個(gè)磁體由大小相同的十個(gè)雙餅線圈同軸排列而成,每?jī)蓚€(gè)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(jì)后的高溫超導(dǎo)磁體圖片,在45 K中心磁場(chǎng)4 T時(shí)的勵(lì)磁電流為321 A.超導(dǎo)線圈參數(shù)如表1所列.

圖3 優(yōu)化設(shè)計(jì)后高溫磁體圖 (a)在321 A時(shí)磁體內(nèi)部磁場(chǎng)分布圖(中心場(chǎng)4 T@45 K);(b)高溫超導(dǎo)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(dǎo)線圈的設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 1.Design parameters of 4 T HTS coil.

3 國(guó)產(chǎn)二代高溫超導(dǎo)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(dǎo)線材都是帶狀,因此用高溫超導(dǎo)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(dǎo)線圈采用雙餅線圈的形式,與單餅線圈相比,用單根超導(dǎo)線繞制的雙餅線圈可以使磁體內(nèi)的非超導(dǎo)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(yùn)行能力.將測(cè)試完的YBCO高溫超導(dǎo)帶材進(jìn)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(jìn)行真空浸漬.

圖4 雙餅線圈的臨界電流 (a)第一個(gè)雙餅線圈的I-V曲線;(b)所有10個(gè)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(duì)繞制完成的10個(gè)高溫超導(dǎo)雙餅線圈進(jìn)行性能測(cè)試.采用國(guó)際判據(jù)Ec=1μV/cm,通過高溫超導(dǎo)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(cè)量曲線.測(cè)得此10個(gè)高溫超導(dǎo)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(dǎo)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(jì),單個(gè)雙餅線圈在77 K液氮溫度、100 A運(yùn)行電流下最大磁場(chǎng)0.76 T、最大徑向磁場(chǎng)0.42 T,按照YBCO帶材在液氮溫區(qū)的B-I特性曲線計(jì)算,臨界電流在95—102 A之間,與所測(cè)數(shù)據(jù)吻合.為了研究線圈中超導(dǎo)帶材臨界電流下降的原因,對(duì)比了焊接前后YBCO超導(dǎo)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(duì)繞在骨架上的單匝YBCO超導(dǎo)帶材的臨界電流也進(jìn)行了測(cè)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(shuō)明焊接帶材和超導(dǎo)線繞制成超導(dǎo)線圈過程中機(jī)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(dǎo)線圈性能的主要因素可能是線圈的自身磁場(chǎng).

3.2 高溫超導(dǎo)磁體的裝配

在對(duì)每一組雙餅線圈的臨界電流測(cè)試完成后,對(duì)高溫超導(dǎo)線圈進(jìn)行了連接、組裝和固定.圖5是采用第二代高溫超導(dǎo)帶材繞制的超導(dǎo)線圈圖片,線圈的實(shí)測(cè)參數(shù)如表2所列.

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

表2 4 T高溫超導(dǎo)線圈的實(shí)測(cè)參數(shù)表Table 2.Measured parameters of 4 T HTS coil.

3.3 高溫超導(dǎo)線圈的性能測(cè)試

為了測(cè)試YBCO高溫超導(dǎo)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(cè)試所需的低溫環(huán)境.首先采用液氮冷卻并校正溫度計(jì),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(jì)誤差分別為?2,?7和+1 K.修正后首先在溫度77 K時(shí)進(jìn)行線圈的臨界電流性能測(cè)試實(shí)驗(yàn).77 K溫區(qū)勵(lì)磁實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,先采用減壓降溫方法使得溫度降至65 K,再次進(jìn)行勵(lì)磁實(shí)驗(yàn),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(jìn)行勵(lì)磁實(shí)驗(yàn)測(cè)試臨界電流.采用CRYOGENIC SMS240C超導(dǎo)電源和1 kA DC超導(dǎo)股線樣品電源以0.2—1.5 A/s的速率對(duì)超導(dǎo)線圈勵(lì)磁通電,檢測(cè)磁體兩端的電壓信號(hào),以1μV/cm判據(jù)作為臨界電流判據(jù).為保護(hù)磁體安全,在超導(dǎo)磁體中局部區(qū)域出現(xiàn)超導(dǎo)-正常態(tài)轉(zhuǎn)變,觀測(cè)到磁體的端電壓有明顯上升時(shí),即停止對(duì)磁體繼續(xù)通電,并安全下降電流,因而得到的最大測(cè)試電流并未達(dá)到磁體的臨界電流標(biāo)準(zhǔn)(1μV/cm).磁體在77,65,55和46 K溫度下的最大運(yùn)行電流測(cè)試結(jié)果如圖6所示(電壓恒定為L(zhǎng)dI/dt時(shí)會(huì)引發(fā)感應(yīng)電壓,在判斷失超時(shí)應(yīng)減掉該電壓).從圖中可以看出,YBCO超導(dǎo)線圈在77,65,55和46 K下的電流測(cè)試過程中均未探測(cè)到不可逆的電壓變化,因而超導(dǎo)線圈沒有發(fā)生失超現(xiàn)象.YBCO高溫超導(dǎo)線圈在77,65,55和46 K溫度下的運(yùn)行電流分別為65,147,257和338 A.

圖6 高溫超導(dǎo)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(dǎo)磁體的磁場(chǎng)分布 (a)磁場(chǎng)沿磁體中心軸向分布;(b)磁場(chǎng)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(jì)在負(fù)載1 A的條件下對(duì)YBCO高溫超導(dǎo)磁體的磁場(chǎng)分布進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果如圖7所示.所繞制的高溫超導(dǎo)磁體中心磁場(chǎng)強(qiáng)度為120.8 G(1 G=10?4T),在超導(dǎo)磁體軸向方向距中心位置1,5,9,13和17 cm的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為120.5,115.7,105.5,84.7和54.6 G.在超導(dǎo)磁體徑向方向距中心位置1,2,3和4 cm的磁場(chǎng)強(qiáng)度分別為120.1,121.3,121.2和121.3 G.在高溫超導(dǎo)磁體中平面上磁場(chǎng)基本一致.

根據(jù)該高溫超導(dǎo)磁體負(fù)載1A電流對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為120.8 G,可計(jì)算得到高溫超導(dǎo)磁體在77,65,55和46 K溫度下的中心磁場(chǎng)強(qiáng)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(guó)內(nèi)首臺(tái)基于國(guó)產(chǎn)第二代高溫超導(dǎo)帶材的高溫超導(dǎo)線圈.高溫超導(dǎo)線圈的內(nèi)直徑為100 mm,高度為359 mm,中心磁場(chǎng)強(qiáng)度在46 K下達(dá)到4.08 T,并且在高溫超導(dǎo)線圈中平面上磁場(chǎng)基本一致.基于該高溫超導(dǎo)線圈產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)不但可以改變材料的磁學(xué)性質(zhì),制備高擇優(yōu)取向的新材料,而且在強(qiáng)磁場(chǎng)新材料合成、化學(xué)反應(yīng)和晶體生長(zhǎng)等具有重要應(yīng)用價(jià)值.

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

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