简介概要

高温超导带材剩余磁场非接触无损连续测量方法及装置

来源期刊：稀有金属2007年第1期

论文作者：李宗安颜世宏李月南王媛段镇忠栾文洲冯日宝周其

关键词：超导带材; 磁测量; 剩余磁场; 临界电流;

摘要：通过对高温超导带材内部剩余磁场的连续测量,计算机采集数据,并依据超导临界态理论模型计算出临界电流值.为Bi系高温超导带材提供了一种非破坏的连续检测手段,不仅实现了超导带材剩余磁场的实时显示,而且可以给出超导带材均匀性的信息,最终能够计算出整根超导带材临界电流的平均值和不确定度.

稀有金属 2007,(01),14-17 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2007.01.004

高温超导带材剩余磁场非接触无损连续测量方法及装置

段镇忠王媛周其冯日宝李月南李宗安颜世宏

北京有色金属研究总院有研稀土新材料股份有限公司,北京有色金属研究总院有研稀土新材料股份有限公司,北京有色金属研究总院有研稀土新材料股份有限公司,北京有色金属研究总院有研稀土新材料股份有限公司,北京有色金属研究总院有研稀土新材料股份有限公司,北京有色金属研究总院有研稀土新材料股份有限公司,北京有色金属研究总院有研稀土新材料股份有限公司,北京有色金属研究总院有研稀土新材料股份有限公司北京100088,北京100088,北京100088,北京100088,北京100088,北京100088,北京100088,北京100088

摘要：

通过对高温超导带材内部剩余磁场的连续测量, 计算机采集数据, 并依据超导临界态理论模型计算出临界电流值。为Bi系高温超导带材提供了一种非破坏的连续检测手段, 不仅实现了超导带材剩余磁场的实时显示, 而且可以给出超导带材均匀性的信息, 最终能够计算出整根超导带材临界电流的平均值和不确定度。

关键词：

超导带材;磁测量;剩余磁场;临界电流;

中图分类号： TM26

收稿日期：2006-03-14

Measurement of Trapped Magnetic Field for High T_c Bi-2223 Tape

Abstract：

The trapped magnetic field strength of highTc Bi-2223 tape was measured using Hall probes array method.According to the relationship between critical currentIcand the trapped magnetic strength, theIcof the tape could be easily calculated, this made it possible to realize the non-destruction, non-contact continuouslymeasurement for the long tape.The magnetic field mea-surement can reflect the tape′s original characteristics, such as the uniformity and the flow of the whole tape.The averageIcand uncertainty were calculated basing on the measurement result.

Keyword：

highTctape;magnetic field measurement;trapped magnetic field;critical currentIc;

Received： 2006-03-14

临界电流性能是衡量高温超导带材的一个重要的、不可或缺的工程指标, 对它的测试就显得格外重要 ^[1] 。随着超导带材长度的增加, 传统的四引线测试临界电流的方法已经不能满足产业化的需求, 为了对带材进行性能评价, 确定带材性能的均匀性和微观结构与临界电流之间的关系, 用以改进工艺和进一步提高带材的传输性能, 建立高温超导长带临界电流的连续无损检测装置和方法的工作势在必行 ^[2] 。

磁测量的方法提供了一种超导带材临界电流的连续、非破坏性的检测手段, 在超导带材的制备和研究中发挥了重要作用 ^[3] 。目前国际上, 德国的THEVA公司生产的tapestar测试设备采用磁测量的方法测试超导带材。他们的励磁方式采用电磁线圈励磁。主要用于测试涂层超导带材 ^[4] 。在国内, 中国科学院电工所在2001年率先在国内独立建造了超导带材磁测量装置, 成功地为国内外生产的超导带材进行检测, 但该装置无法测量出超导带材剩余磁场的二维分布图, 也无法换算出临界电流值来 ^[5] 。本文介绍的高温超导带材磁测量装置, 采用一维霍尔探头阵列测试带材横向的磁场分布, 不仅能实时显示超导带材的剩余磁场, 并计算出临界电流密度, 而且可以给出超导带材均匀性和缺陷形状分布等信息, 在超导带材的制备和研究中发挥了重要作用。

1 实验

高温超导带材磁测量系统主要包括机械传动系统、磁信号的计算机采集及处理显示两部分组成。机械传动系统包括机架、低温容器、放带轮、导向轮、压带轮、收带轮、控速电器、张力控制、励磁装置、升降装置等几个部分构成。计算机采集处理系统主要包括一维霍尔探头、采集卡及软件部分。一维霍尔探头镶嵌在铝套内0.5 mm处, 即使被测带材与铝套接触上, 也不会损伤探头。机械传动系统可以使高温超导带材在5～83 mm·s^-1的速度范围内匀速移动, 超导带材通过放带轮、导向轮进入低温容器, 在77 K零场条件下, 进入超导态, 经过励磁装置后, 通过霍尔探头, 由计算机采集系统可以把超导体中的剩余磁场探测出来, 实时显示在屏幕上, 便于实时监控。同时根据Bean模型将磁信号通过拟合计算出每一个采集点上的临界电流值。霍尔探头的有效探测面积为0.1 mm×0.1 mm。可以满足高温超导带材实用化的需求。

测试过程如下: 首先将超导带材的一端焊接在放带轮上的引带上, 引带是用无磁的纯铜制成, 在励磁过程中不会产生磁信号, 另一端焊接在收带轮的引带上。调整超导带材和霍尔探头的相对位置, 利用升降装置将超导带材放入低温容器内, 调节放带轮和收带轮上的张力控制器, 使超导带材在测试时能够平稳地移动。调整超导带材和霍尔探头 (铝套) 的相对位置, 使霍尔探头 (铝套) 距离超导带材的垂直高度分别为: 0, 1, 2, 3 mm; 调节控速电器, 使超导带材分别以不同的速度匀速移动, 运行测试软件, 设置与超导带材相关的参数, 测试整根带材的剩余磁场, 并换算出临界电流, 实验结束, 计算机给出整根带材的平均临界电流值和方差分布情况。所用的超导带材是西北有色金属研究院提供的。

2 结果和讨论

图1为超导带材剩余磁场的测试结果 (一部分) 。图2是超导带材某一横截面上7个探头探测的剩余磁场强度的拟合曲线, 根据拟合曲线利用Bean模型计算出的临界电流值为70.6 A, 拟合误差为6.1 A。图3为利用这个原理计算出整根超导带材上的临界电流值。超导带材测试的移动速度是64 mm·s^-1, 在整根超导带材上一共采集了13334个点。从图中可以看出, 这根带材的均匀性非常好, 中间有一些个别的缺陷, 用本装置也能够检验出来。经过计算, 这根带材的临界电流的方差为2.85 A。方差是衡量超导带材均匀性的重要指标 ^[6] 。

为了检验本测试装置对缺陷等相关信息的测试精度, 我们又在另外一根超导带材上人为地制造了一些缺陷, 第一个是三维尺寸很小的体缺陷, 第二个是纵向缺陷, 第三个是横向缺陷, 第四个是剪切至超导带材中间位置的横向缺陷。从超导带材剩余磁场的二维分布图中我们一共检测出了其中的3个缺陷。图4分别是点缺陷、横向缺陷 (折痕) , 和剪切至超导带材中间的横向缺陷与对应位置无缺陷时的对比。从图中可以看出对于横向缺陷检测的结果很明显, 剩余磁场的分布图基本上可以反映缺陷的大小和形状。而对于点缺陷, 检测结果不是很明显, 对于纵向缺陷几乎没有检测出来。

图1 Bi系高温超导带材剩余磁场测试结果

Fig.1 Magnetic field measurement for Bi-2223 tape

图2 横截面剩余磁场强度和拟合曲线

Fig.2 Magnetic field of cross section and its simulative curve

这是由于点缺陷和纵向缺陷对于超导带材的传输性能影响很小 ^[7] , 因此超导体中的剩余磁场的变化也不明显, 通过剩余磁场的测量就很难检测出这样的缺陷了。另外也跟本系统的精度有关。我们是采用一维霍尔探头阵列来探测磁信号。一维阵列只有7个探头, 探头之间有0.7 mm的间隙, 不可能把超导带材上的全部信息都探测到。如果霍尔探头阵列的密度再大一些, 或者用二维阵列就能探测到更多的有关超导带材上的信息 ^[8] 。

超导带材的移动速度不同, 从励磁到检测所经历的时间也不同, 超导带材上剩余磁场的衰减程度也不同, 因而换算出的临界电流值也不同。图5是不同移动速度条件下剩余磁场强度在同一横截面上的实测值和拟合曲线, 高速移动计算的临界电流为87 A, 拟合误差为10.5 A, 低速移动计算的临界电流为61.2 A, 拟合误差为8.9 A。

图3 根据超导带材剩余磁场分布计算的临界电流

Fig.3 Calculated I_c for whole tape according to magnetic field

图4 对缺陷的检测

Fig.4 Measurement for defects

(a) Defects; (b) Without defects

图6计算出不同移动速度的整根超导带材的临界电流。当超导带材以较高的速度移动时, 采集样品的间隔一定, 采集的点比较少, 只有3208个, 采样分辨率为4.1 mm。经过计算平均的临界电流值为79.01 A。以较低速度移动时, 采样点比较多, 一共采集了9805个点, 采样分辨率为1.35 mm, 比高速移动的分辨率要高。经过计算平均的临界电流值为58.67 A。从中可以明显看出同一根超导带材以不同的移动速度所计算的临界电流值并不相等, 而且有很大差别。这是弛豫现象的结果。感应剩余磁场的磁场强度随着时间的变化成指数衰减, 带材移动速度不同, 从励磁到测量剩余磁场的时间也不同, 磁场强度衰减程度也不同。快速测量磁信号衰减的少, 测量结果更接近传输法的测量结果 ^[9] 。

图5 不同速度横截面上的磁场分布 (拟合曲线)

Fig.5 Magnetic fields of different speed moving tapes (simulative curves)

图6 不同速度对性能较高带材临界电流的影响

Fig.6 Effects of different speeds on I_c of tape

越是性能好的超导带材, 其剩余磁场在初始阶段衰减幅度越大 ^[10] 。为了规范剩余磁场测量方法, 应该在每次测量后, 再测量一下该样品的弛豫曲线, 将测量结果换算成没有衰减时的剩余磁场信号。

根据Bean模型, 剩余磁场强度与霍尔探头距离超导带材表面的垂直距离h有关。垂直距离越大, 测量的剩余磁场信号越弱。图7是不同高度霍尔探头测试剩余磁场的结果。从图中可以明显看出随着垂直距离的增加, 剩余磁场信号越来越弱, 但在超导带材上的变化趋势是一致的。

根据剩余磁场分布计算超导带材的临界电流值已经考虑到垂直高度的影响, 因此不会因为调整霍尔探头的高度而影响到临界电流值的计算。图8就是根据图7的剩余磁场的数据计算的临界电流值。不同高度霍尔探头计算出的临界电流值基本上是一致的。

图7 不同高度的霍尔探头测试剩余磁场的结果

Fig.7 Magnetic fields of different Hall probe heights

图8 不同高度的霍尔探头计算出临界电流的结果

Fig.8 Calculated I_c for different Hall probe heights according to Fig.7

3 结论

研制的“高温超导带材非接触无损磁测量系统”, 提供了一种超导带材临界电流的连续、非破坏性的检测手段, 在超导带材的制备和研究中发挥了重要作用, 为进一步改进工艺和提高超导体的性能提供了可靠的依据。

本测试系统能够测量出超导带材表面剩余磁场的二维分布图, 并且能够根据Bean模型换算出带材的临界电流值, 给出临界电流的分布和方差。带材的移动速度在5～83 mm·s^-1的范围内可调, 移动平稳。霍尔探头的有效探测面积为0.1 mm×0.1 mm, 平均临界电流测试的精密度为1%, 平均临界电流方差的精密度为4.5%。整个测试过程都采用计算机采集并处理, 人机界面友好, 操作方便, 能够实现实时显示和在线连续检测。对于带材的缺陷和均匀性能够精确的检测出来。 “高温超导带材非接触无损磁测量系统”完全可以满足超导长带的非接触、无损、连续检测的要求。