一种电子束焊接制备铌钛线材和铌三锡混合超导接头的方法

1.本发明涉及一种超导接头的制备方法。


背景技术：

2.超导技术是一项综合性的高技术，可广泛用于能源、医疗、交通、科学研究及国防军工等重大工程方面，并将会对国民经济和人类社会的发展产生巨大的推动作用。商业超导线圈最主要的应用就是核磁共振谱仪(nmr)。这类超导线圈不仅对磁场的强度和均匀度有很高的要求，对磁场的稳定度也有极高的要求，否则无法得到清晰的谱仪信号乃至成像信号。nmr的频率和主磁体的磁场强度正线性正相关，当频率超过400mhz的时候，液氦浸泡条件下nbti线就不足以提供符合要求的磁场强度了。这种情况下就需要使用到nb3sn超导线和nbti超导线制备混合低温超导磁体。为了达到足够高的磁场稳定度急需要超低电阻的nbti-nb3sn混合超导接头。
3.现阶段国际主流的nbti-nb3sn混合超导接头制备方法均为伍德合金焊接法。伍德合金焊接法可以达到1
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欧姆甚至更低的电阻，但是其本征也存在两个不可避免的问题。第一伍德合金中含有铅，是非环境友好类的焊料，已经被欧盟禁止使用。第二伍德合金的不可逆场过低，使得这种方法制备的接头最高仅能承受0.5t的外加磁场，否则载流能力就无法满足使用需求。
4.因此开发一条全新的nbti-nb3sn混合超导接头制备方法对超导线材在超过400mhz的nmr上的应用推广有着非常重要的意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种采用电子束焊接制备nbti-nb3sn混合超导接头制备方法。
6.本发明超导接头制备方法的主要特征在于：选用商业的多芯nbti和nb3sn超导线，通过物理或化学的方法去除超导线材外部的绝缘层和稳定层，露出nbti线中的nbti超导芯和nb3sn线中的nb超导芯。随后在保证nb3sn线材中裸露的nb超导芯在不反应的情况下完成nb3sn线材的退火热处理。将需要制备接头的nbti超导线的nbti超导芯部和反应后nb3sn线材的nb超导芯部铰接在一起。将铰接后的超导线材放置于商业电子束焊接机中，通过电子束对焊接部位进行焊接，从而构成nbti-nb3sn混合超导接头。
7.具体如下：
8.(1)选取制备超导接头所需多芯nbti和nb3sn超导线材。选取线材后，通过物理或化学方法去除超导芯材外部的绝缘层和稳定层，露出nbti线中的nbti超导芯和nb3sn线中的nb超导芯；
9.(2)将步骤(1)裸露出nb超导芯的nb3sn线材在保证nb超导芯不反应的情况下完成nb3sn线材的退火热处理，具体热处理工艺为升温速率20摄氏度每小时，在700摄氏度下保温100小时，随后再冷却至室温完成退火；
10.(3)将步骤(1)和(2)中准备好的需要制备超导接头的nbti超导线的nbti超导芯部和反应后nb3sn线材的nb超导芯部铰接在一起，为制备接头做准备；
11.(4)将步骤(3)制得的铰接的超导芯放置于商业电子束焊接机中，待电子束焊接机腔室内的真空度达到使用标准后，调节聚焦电流，控制电子束直径在1mm～3mm，并将电子束对准需要做接头的部位，施加加速电压20～30kv，电流10～15ma，直到接头部分完全融化；
12.(5)关闭电子束焊接机，待温度下降到室温时，向腔室充气，打开腔室，取出焊接好的超导接头，避免接头部分被氧化。
13.所述腔室的真空度为5
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到1
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pa。
14.本发明调节电流和电压的主要目的是为了控制能量，使得融化区域和热量扩散区域控制在很小的范围内，以免影响超导线材其它部分的超导性。
15.与现有的样品制备技术相比，本发明具有以下有益的效果：
16.本发明采用商业电子束焊接机在多芯nbti和nb3sn超导线中制备nbti-nb3sn混合超导接头。这种方法区别于目前国际上常用的伍德合金法，直接将nb或nbti超导线局部融化并重新凝固成一体。这个过程中完全没有加入任何其它焊料，可以有效地保护环境。同时避免了由于伍德合金作为焊料的存在而导致接头最高仅能承受0.5t的外加磁场。而传统的电子束焊结束热量扩散区域较大，会导致非接头部分的超导材料尤其是nbti合金发生变性，从而影响超导线材的性能。本发明采用特殊的电压和电流区间，控制电子束在短时间内作用在接头的局部区域，以减少对非接头区域的影响。
附图说明
17.图1nbti-nb3sn超导线材制备的超导接头的扫描电镜照片；
具体实施方式
18.以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
19.实施例1：选用商业的多芯nbti和nb3sn超导线，通过物理或化学的方法去除超导线材外部的绝缘层和稳定层，露出nbti线中的nbti超导芯和nb3sn线中的nb超导芯。随后在保证nb3sn线材中裸露的nb超导芯在不反应的情况下完成nb3sn线材的退火热处理。具体热处理工艺为升温速率20摄氏度每小时，在700摄氏度下保温100小时，随后再冷却至室温完成退火。将需要制备接头的nbti超导线的nbti超导芯部和反应后nb3sn线材的nb超导芯部铰接在一起。将铰接后的超导线材放置到中科华正ebw—3h型电子束焊接机中，待腔室的真空度达到1
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pa后，调节聚焦电流使电子束直径为1mm，并将电子束对准需要做接头的部位，施加加速电压20kv，电流为15ma，直到接头部分完全融化。关闭电子束焊接机，待腔室温度达到室温，再充气打开电子束焊接机的腔室，取出接头，避免接头部分被氧化。获得的超导接头如图1所示，两根超导线完全融合在一起。通过磁场衰减法在4.2k的液氦中进行测量，得到其接头电阻值为4
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欧姆，并且可以在1t外加磁场下承载不低于150a的电流。
20.实施例2：选用商业的多芯nbti和nb3sn超导线，通过物理或化学的方法去除超导线材外部的绝缘层和稳定层，露出nbti线中的nbti超导芯和nb3sn线中的nb超导芯。随后在保证nb3sn线材中裸露的nb超导芯在不反应的情况下完成nb3sn线材的退火热处理。具体热处理工艺为升温速率20摄氏度每小时，在700摄氏度下保温100小时，随后再冷却至室温完
成退火。将需要制备接头的nbti超导线的nbti超导芯部和反应后nb3sn线材的nb超导芯部铰接在一起。将铰接后的超导线材放置到中科华正ebw—3h型电子束焊接机中，待电子束焊接机腔体的真空度1
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pa，调节聚焦电流使电子束直径为3mm，并将电子束对准需要做接头的部位，施加加速电压30kv，电流10ma，直到接头部分完全融化。关闭电子束焊接机后，待腔室温度达到室温再向腔室充气，打开腔室，取出接头，避免接头部分被氧化。通过磁场衰减法在4.2k的液氦中进行测量，得到其接头电阻值为1.5
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欧姆，并且可以在1t外加磁场下承载不低于140a的电流。
21.实施例3：选用商业的多芯nbti和nb3sn超导线，通过物理或化学的方法去除超导线材外部的绝缘层和稳定层，露出nbti线中的nbti超导芯和nb3sn线中的nb超导芯。随后在保证nb3sn线材中裸露的nb超导芯在不反应的情况下完成nb3sn线材的退火热处理。具体热处理工艺为升温速率20摄氏度每小时，在700摄氏度下保温100小时，随后再冷却至室温完成退火。将需要制备接头的nbti超导线的nbti超导芯部和反应后nb3sn线材的nb超导芯部铰接在一起。将铰接后的超导线材放置到中科华正ebw—3h型电子束焊接机中，待电子束焊接机腔体的真空度达到5
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pa，调节聚焦电流使电子束直径为2mm，并将电子束对准需要做接头的部位，施加加速电压25kv，电流15ma直到接头部分完全融化。关闭电子束焊接机后，待腔室温度达到室温再向腔室充气，打开腔室，取出接头，避免接头部分被氧化。通过磁场衰减法在4.2k的液氦中进行测量，得到其接头电阻值为3.2
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欧姆，并且可以在1t外加磁场下承载不低于150a的电流。