铌钛中空超导电缆接头的直流特性分析
超导电缆绝缘材料的研究与应用
超导电缆绝缘材料的研究与应用摘要：超导材料独特的零电阻特性和完全抗磁性，使其在强电、弱电、轨道交通等诸多领域应用前景良好。
至今，已经发现了包括元素、合金和化合物在内的超过 2000 种超导体，应用较多的是以铌钛、铌三锡为代表的低温超导材料和以铋系、钇系铜氧化物为代表的高温超导材料。
关键词：超导电缆；绝缘材料；绝缘性能1 前言高温超导电缆根据其绝缘介质的工作温度可以分为室温绝缘和冷绝缘两种。
室温绝缘电缆是将电绝缘层置于低温恒温器之外，其工作温度在室温范围，因此可以选用可靠性较高的常规电缆绝缘材料。
冷绝缘超导电缆以超导材料作为磁屏蔽层，可以减小涡流损耗，降低运行成本；但是由于工作环境为液氮温区，因此对于绝缘材料的低温综合性能要求很高。
2 室温绝缘超导电缆室温绝缘超导电缆通常使用的绝缘材料有聚乙烯、交联聚乙烯和乙丙橡胶等。
对于室温绝缘超导电缆，一般采用挤包型绝缘，挤包型绝缘可以减少绝缘中间隙，降低局部放电。
2.1 交联聚乙烯聚乙烯经高能射线辐照或添加交联剂可以得到交联聚乙烯。
与聚乙烯相比，交联聚乙烯的耐老化性能、耐环境应力开裂性能更好，脆化温度低于聚乙烯（交联聚乙烯：-76°C，聚乙烯：-70°C）。
交联聚乙烯的介电常数和介质损耗角正切值和聚乙烯相近，而绝缘电阻较大。
在室温条件下，交联聚乙烯的电阻率高于1016Ω•cm，介电常数为2.3，介质损耗角正切值为5.0×10-4。
2.2 乙丙橡胶乙丙橡胶是由乙烯和丙烯共聚成的二元共聚物。
在室温条件下，乙丙橡胶的电阻率为1015~1016Ω•cm，介电常数为2.6，介质损耗角正切值为4.0×10-3。
相比于聚乙烯和交联聚乙烯，乙丙橡胶在室温和液氮温度下的介质损耗较大。
但是，乙丙橡胶的低温机械性能好于聚乙烯和交联聚乙烯，在液氦温度下也不会开裂。
3 冷绝缘超导电缆用于冷绝缘超导电缆的绝缘材料主要为聚酰亚胺、聚芳酰胺纸和聚丙烯层压纸。
超导磁体
4.9 超导磁体4.9.1 概述磁体系统是谱议的关键部件之一，它提供高强度和一定均匀度的恒定磁场，供主漂移室测量带电粒子的径迹，用以研究基本粒子间的相互作用和规律。
超导磁体利用轭铁提供磁场回路。
根据BESIII 物理工作的需要，要求主漂移室有高的动量分辨率，但主漂移室的动量分辨率主要由室内物质的多次库仑散射决定，此时改进室的空间分辨率和测量次数（增加灵敏丝的层数）以改进测量统计性都不能改进动量分辨率，而增加磁场强度可以达到这一目的。
但另一方面，如果磁场强度过高，更多的低能量粒子会陷在漂移室内打圈而很难测量。
综合各种因素，选择北京谱仪磁铁的中心磁场设计值为1.0T 。
为避免在粒子径迹拟合时做过多的离线计算机校正，要求径迹区内磁场不均匀度较小。
但由于线圈工艺复杂，体积宏大，加工生产中必然会产生不圆度。
另外由于各子探测器电子学的需要，轭铁上电缆孔很多，参照BESII 的情况，目前仍将不均匀度指标定在≤5%。
基于主漂移室IV 动量分辨率的要求，磁场测量精度应≤0.1%。
4.9.2 超导磁体设计4.9.2.1 磁体基本参数设计及计算根据北京谱仪BESIII 的物理要求，参照国际上同类磁体的设计进经验，确定采用单层线圈结构，间接冷却方式，超导电缆采用基于纯铝稳定体的设计。
根据总体和内部子探测器的尺寸要求，初步确定磁体外形尺寸长度为4.91m ，内直径为2.75m ，外直径为3.4m ，线圈的长度为3.52m ，线圈中心直径为2.95m 。
若取线圈电流I 为3000A ，nI B 00μ=，其中T B 10=，可得1m 长的线圈匝数为n ≈266匝，超导电缆沿线圈轴向方向的厚度为3.7mm ，考虑到匝间的绝缘层的厚度后，线圈总匝数为921匝。
考虑到线圈绕制时，由于超导电缆的连接会减少线圈的有效匝数，现将工作电流定为3150A 。
线圈的储能l D B l S B V B H E ⋅⋅⋅=⋅⋅⋅=⋅=42121)21(20202πμμ = 9.5兆焦耳。
超导材料的特性和应用
超导材料的特性和应用超导材料是一种特殊的材料，具有抗电磁干扰、低能耗、高效能等特性，因此在科学、医疗、能源等领域具有广泛的应用。
本文将从超导材料的特性和应用两个方面进行探讨。
一、超导材料的特性1. 零电阻超导材料在低温下电阻为零，这是其最显著的特征。
当其处于超导状态时，电流可以在材料中自由流动，避免能量损失，因此可以在一定程度上提高电能利用效率。
2. 磁场抗性超导材料的磁场抗性有着很强的抵抗力，可以避免电磁干扰，保障电路的稳定性。
此外，还可以制造出高强度的超导磁体，用于核磁共振成像等需要强磁场的医疗设备。
3. 超导量子干涉超导材料还可以实现量子干涉现象，即量子态之间的干涉效应。
这种效应可以用于实现超导量子比特的存储和处理，进而开拓量子计算机和量子通信领域等新的应用方向。
二、超导材料的应用1. 磁共振成像磁共振成像是医学诊断中广泛应用的一种技术，而超导材料的磁场抗性可以制造出强磁场，因此可以用于制造高强度的磁共振成像设备。
此外，超导材料还可以用于制造磁共振成像中的探头和线圈等部件，提高成像质量。
2. 超导电缆超导电缆是一种低能耗高效能的电缆，其电能传输效率可以达到99%以上。
由于超导材料的零电阻特性，可以避免能量损失和电动机震荡等现象，因此在工业、航空、交通等领域有着广泛的应用。
3. 超导磁体超导材料可以制造高强度的超导磁体，广泛应用于核磁共振成像、加速器、磁悬浮列车等领域。
其中，超导磁体用于核磁共振成像的设备，其提供的磁场是目前人类所制造的具有最高磁场强度的设备。
4. 超导量子比特超导材料的量子干涉效应可以用于实现超导量子比特的存储和处理。
量子比特是量子计算机的基本单元，具有可以并行处理、快速分解因子等传统计算机无法匹敌的特性，因此具有非常广阔的应用前景。
总之，超导材料具有抗电磁干扰、低能耗、高效能等特性，广泛应用于磁共振成像、超导电缆、超导磁体、量子计算等领域。
随着科技的进步和超导材料技术的不断发展，相信超导材料将会在更多的领域得到应用。
超导电缆的性能与安全性分析
超导电缆的性能与安全性分析引言超导电缆作为一种新兴的输电技术，具有优异的性能和潜在的应用前景。
然而，为了确保超导电缆的安全性和可靠性，我们需要对其性能和安全性进行深入的分析。
本文将从超导电缆的基本原理、性能指标和安全性等方面进行论述，以期为读者提供全面的了解和认识。
一、超导电缆的基本原理超导电缆是利用超导材料的特殊性质来传输电能的一种电缆。
超导材料在低温下能够表现出零电阻和完全抗磁性的特点，使得电流能够在其内部无损耗地传输。
这种特殊的传输方式使得超导电缆具有极高的电流密度和传输效率，成为一种重要的能源输送技术。
二、超导电缆的性能指标1. 临界温度超导电缆的临界温度是指超导材料从超导态转变为正常态的临界温度。
临界温度越高，超导电缆的使用范围就越广泛。
目前，临界温度已经达到了较高的水平，但仍需要进一步提高。
2. 传输能力超导电缆的传输能力是指其能够承载的最大电流。
由于超导材料的零电阻特性，超导电缆的传输能力远高于传统电缆。
这使得超导电缆在大功率输电和长距离传输方面具有巨大的优势。
3. 磁场抗扰性超导电缆在传输过程中会受到外界磁场的干扰，这可能导致超导态的破坏。
因此，超导电缆需要具有良好的磁场抗扰性，以保证其稳定的工作状态。
三、超导电缆的安全性分析1. 低温环境的要求超导电缆需要在低温环境下运行，通常需要使用液氮等冷却剂来维持超导材料的超导态。
低温环境对设备和人员都提出了严格的要求，如设备密封性、气体泄漏和人员防护等方面。
2. 超导材料的稳定性超导材料在超导态下非常脆弱，容易受到外界因素的影响而失去超导性。
因此，超导电缆需要采取相应的措施来保护超导材料，如绝缘层的设计、外壳的加固等。
3. 电磁辐射和电磁干扰超导电缆在传输过程中会产生电磁辐射和电磁干扰，对周围环境和其他设备可能造成影响。
因此，超导电缆需要进行电磁兼容性测试和防护措施，以确保其安全性和可靠性。
4. 系统监测和故障处理超导电缆系统需要进行实时监测和故障处理，以及及时发现和解决潜在的问题。
NbTi超导体的特性
NbTi超导体的特性NbTi超导体的特性张长安（陕理⼯物理系物理学081班，陕西汉中72600）指导⽼师：任亚杰【摘要】：本⽂从NbTi的微观结构，加⼯⼯艺，电流密度随温度与临界磁场的变化，与NbTi的扩散介绍了NbTi 基本特性。
在介绍加⼯⼯艺时采⽤了Nb/Ti复合法阐述了Nb／Ti的加⼯过程；在研究中，NiTi的内部结构⾮常重要，了解NbTi的微观结构有助于我们从理论上更好的去认识NiBi的特性，本⽂从NbTi亚带组织与a相变细节介绍了NbTi的微观内部结构。
【关键词】：NbTi，NbTi的加⼯⼯艺，超导体的电流密度，微观结构，扩散引⾔尽管⾼温超导材料的发现已近⼆⼗多年!但⽬前由于还存在成材困.难磁场下性能较低及制造成本⾼等缺陷!在未来相当长的⼀段时间内!铌钛合⾦等低温超导材料仍将在强电应⽤领域占据主导地位.nbti超导材料由于具有良好的超导性能,优异的机械性能和低廉的制造成本!是⽬前应⽤范围最⼴的低温超导材料!其主要应⽤于⾼科技仪器如核磁共振成像仪和⼤型⾼科技⼯程项⽬如国际热核聚变反应实验堆,其⽤量占整个超导市场的90%以上.由于顺磁极限降低了NbTi超导体的上临界场，所以很难提⾼NbTi超导线材在⾼磁场中的临界电流密度。
为了提⾼NbTi超导体的临界电流密度!扩展其应⽤范围!⽬前⼈们采⽤了多次时效热处理⼯艺和(⼈⼯钉扎)等技术!并取得了显著的进展(NbTi合⾦具有良好的机械加⼯性能和超导性能，成为使⽤最⼴泛的超导材料。
).随着应⽤范围的扩⼤!进⼀步简化其⽣产⼯序,降低制造成本⼀直⼈们不断追求的⽬标20世纪90年代后期!出现了多种⽤Nb/Ti组配成复合体并经扩散反应形成NbTi超导体的新⼯艺⽽且取得了⼀定的进展!成为当前NbTi超导体研究的⼀个新热点.本⽂从 NbTi 的微观结构，加⼯⼯艺，临界电流密度，Nb/Ti的扩展⼏⽅⾯介绍了NbTi的基本特性。
1. NbTi超导线材的微观结构典型的显微组织为有旺相的位错胞结构，这种结构由沿着拉伸⽅向的丝状亚晶和群集在亚晶周围的⾼密度位错形成的管状胞壁组成。
铌钛超导线接头的制作方法
铌钛超导线接头的制作方法
铌钛超导线接头是超导电缆中的重要组成部分，它能够将超导电缆的两端连接起来，形成一个完整的电路。
铌钛超导线接头的制作方法非常重要，因为它直接影响着超导电缆的性能和使用寿命。
铌钛超导线接头的制作方法主要包括以下几个步骤：
1. 准备工作
在制作铌钛超导线接头之前，需要准备好所需的材料和工具。
材料包括铌钛超导线、超导焊料、超导绝缘材料等。
工具包括超导焊接设备、超导绝缘剥线器、超导线切割器等。
2. 切割铌钛超导线
将铌钛超导线按照需要的长度进行切割。
切割时要注意保持线的平直和光滑，避免出现毛刺和损伤。
3. 剥离超导线绝缘层
使用超导绝缘剥线器将铌钛超导线的绝缘层剥离，露出裸露的超导线。
剥离时要注意不要损伤超导线。
4. 焊接超导线
将两根铌钛超导线的裸露部分对接起来，使用超导焊料进行焊接。
焊接时要注意控制焊接温度和时间，避免超导线受到过度热损伤。
5. 绝缘处理
将焊接好的超导线进行绝缘处理，使用超导绝缘材料进行包覆。
绝缘处理时要注意保持绝缘层的均匀和完整，避免出现漏洞和损伤。
6. 测试
将制作好的铌钛超导线接头进行测试，检查其超导性能和绝缘性能是否符合要求。
测试时要使用专业的测试设备和方法，确保测试结果准确可靠。
以上就是铌钛超导线接头的制作方法。
制作铌钛超导线接头需要严格遵循操作规程和安全要求，确保制作质量和安全性。
同时，制作过程中要注意保持工作环境的清洁和整洁，避免污染和损伤超导线。
超导电线电缆
三芯软导体交流超导电缆的导体是由钢条镀上报薄一层的铌，以螺旋形绕成一个管状，因此是可挠的。导体的绝缘采用液氦浸渍的绝缘带绕成，绝缘外固有一层用镀银铜带制成的涡流屏蔽。三相导体以三角形排列布置在一个不变钢制的管子内。液氦流过管子使导体冷却，然后经过另—个小管回到制冷设备。不变钢管子是用钢丝绳悬挂在一个由液氮冷却的、铝和不变钢合金制成的热辐射屏蔽内。整个装置再用钢丝绳悬挂在—个保护钢管内。热辐射屏蔽内部保持真空，它与保护钢管之间的间隙填以氧化铝粉末并抽真空作为绝热间隔。其结构特点是以钢丝绳悬挂的办法代替固定的支撑。这样在安装时可以打一些自由活动的余地，同时也避免了出于支撑冷缩引起的问题。这种设计的优点是绕包绝缘在4.2K时的介质损耗非常低，缺点是投入运行之前需要冷却的时间太缆是利用超导在其临界温皮下成为超导态、电阻消失、损耗极微、电流密度高、能承载人电流的特点而设计制造的电缆。
超导电缆实质上也是低温电缆，其原理是电阻率随温度下降而减小。超导电缆的主要组成部分除超导体外，还有电绝缘及热绝缘。电绝缘一般由液氨、真空及浸渍液氦的塑料薄膜或纤维纸组成。要求有足够的耐电压强度，在高电场强度下介质损耗角正切仍能保持极低值，塑料绝缘在4.2K的低温环境下仍具有足够的柔软性。为进一步降低辐射漏热，绝热层则采用多层结构，外层用液氮冷却的夹层。
一种铌三锡超导线和铌钛超导线的超导接头及其制备方法
一种铌三锡超导线和铌钛超导线的超导接头
及其制备方法
铌三锡超导线和铌钛超导线是两种常见的超导材料，在应用中常常需要将它们进行连接以形成更大的超导电路。
为此，需要设计一种超导接头，可以使两种超导线有效地连接起来，并保持其超导性能不受影响。
该超导接头的制备方法包括以下步骤：
1. 制备铌三锡超导线和铌钛超导线：将铌、锡、铁（或钛）等材料按一定比例混合，通过电子束熔炼、热轧、拉拔等工艺制备出铌三锡超导线和铌钛超导线。
2. 制备超导接头前体：在两根超导线的相接处，用钻头、切割机等工具切开外绝缘层，暴露出超导体的表面。
然后在表面涂覆一层银等导体，以保证接头不受杂质和氧化的影响。
3. 制备超导接头：在超导接头前体表面，通过焊接、压接等工艺方法，将两个超导体的表面紧密地连接起来。
接头的设计应考虑超导材料的特性和工作环境等因素，以保持接头的超导性能。
4. 验证接头的超导性能：使用超导性能测试仪器对超导接头进行测试，如测量接头的临界电流、磁场等性能指标，以确定接头的超导性能是否符合要求。
总体来说，制备铌三锡超导线和铌钛超导线的超导接头需要考虑到材料的特性、工艺方法以及测试方法等各种因素，以确保接头的超导性能和可靠性。
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段长度 ３ ． ４ ８ ｍｍ。 根 据 电 缆 ３ ３根 股 线 、 扭 距 １ １ ５ ｍ ｍ 的结构 ， 可 知每 根 相邻 股 线 在 轴 向截 面 上
０ ． ２
的旋转 角度 差为 １ ０ ． ９ １ 。 ， 而 在轴 向上 每 移 动３ ． ４ ８ ｍｍ， 股线就旋转 １ ０ ． ９ １ 。 。 因此 将 股 线 旋 转 角 度
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Ｆ ｉ ｇ ． ３ Ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｊ ｘ ａ ｌ ｏ ｎ ｇ Ｙ —ａ ｘ ｉ ｓ
电阻 的影 响 。高度 对 电阻 的影 响随 自身减 小而 迅
速增 加 ， 当高 度小 于 ８ ｍｍ 后 电 阻 增加 明显 ， 在 高 度 大于 １ ２ ｍｍ后 ， 电 阻减少 平缓 。 通过 以上分 析 可 知 ， 根 据 电流 密 度 小 而 均 匀 利 于 电缆 的散热 降温 ， 因此 过小 的轴 心距 不可取 。
为研 究超 导接 头 的几何 尺寸对 其 直流 特性 的 影响 ， 确 定 以轴心 距 （ 两 电缆 中轴线 的距 离 ） 、 长、 宽和高 四个 参数 为研究 对象 。在 基本 简化模 型 的 基 础上 ， 依 次 以轴 心 距 、 宽和高为变量进行 了 １ ４ 个 全 尺寸模 型 的模 拟 计 算 ， 计算 变量 和计 算 结 果 如 图 ３所示 。长度 参数 的影 响需 结合 三种模 型 共
沿
１ ６
１ ２
接 头 中轴 线 ｚ对 称 分 布 。 中 间 峰值 为 焊 锡 最 薄 处， 两侧 峰值 为 焊 锡 与铜 的交 接 面 。两 侧 峰 值 不
严格 对称 来 源于 网格划 分产 生 的误 差 。
６０
・ 焊锡
－ 紫铜＾
８
４
＿ 一 ◆ ■ ■
ｉ
５ ｌ ０ ｌ ５ ２ ０ ２ ５ ３ ０ ３ ５
同分 析 。
因８ ｍｍ 已小于 电缆 外径 ， 故接 头 的宽度 对其 直 流
特 性影 响可 忽 略 ， 而 高度则 最好 大 于 ８ ａｍ。 ｒ
３ ． ２ １ ／ ３ ３分段 股线模 型
将 长度 为 １ １ ５ ａｍ 的接 头 平 均 分 为 ３ ｒ ３段 ， 每
０ ． ４ ｃ ＝
第 ６期
超 导 技 术
Ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｖ ｉ ｔ ｙ
・３ ９・
（ １ ） 接头 Ｙ Ｚ中平 面分 布 电流 ｔ ， 的积 分 值 与
超 导接头 的输 入 、 输 出端 横 截 面 积 分 值 一 致 ，
是 裸缆 的直 径为 ８ ． ４ ｍｍ， 当轴 心距 接 近 于 ８ ． ４ ａ ｒ ｍ 时， 计算 结果 的可 靠 性 是 无 法保 证 的 。通 过对 比 不 同轴 心距 下接 头 中平 面 的 ． ， 分布 ， 发 现轴 心距 越小 时 电流越 是 集 中于 中心 部 分 ， 轴 心距 越 大 时 越是 集 中于焊 锡与 紫铜 的交 接 面外侧 。如 图 ５所 示， 焊锡上 的电流 密度 随轴 心距 变化 剧烈 ， 其最 大 值从 １ ８ Ａ ／ ａ ｒ ｍ （ ８ ． ４ ｍ ｍ） 迅 速 降低 到 仅 为 １ ． ５ Ａ ／ ｍ ｍ （ ９ ． ６ ｍ ｍ） 。相 比于 焊 锡 ， 紫 铜 上 的 电流 密 度 变化 则 要 小 很 多 ， 其 最 大值 仅 从 约 ３ ． ７ Ａ ／ ａｍ ｒ （ ８ ． ４ ｍ ｍ） 降低 到 ２ ． ３ Ａ ／ ｍ ｍ （ ９ ． ６ ｍ ｍ） 。
ｌ ／
．
图 ５ 轴 心距 一 关系
Ｆ ｉ ｇ ． ５ Ａ ｘ ｉ ｓ ｄ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ Ｊ ｘ
Ｌ ． ０
＼
、
宽度 是对 电阻影 响最小 的参 数 ， 从４ ． ６ ｍ ｍ 增
一 ｌ ４ ０ ． ３ ． ０
：
０
ｘ 』 ｍ ｍ ｂ ： ｌ ｌ ｎ ： 豫 黝蚴 ２ 乱 。
（ ３ ） 接头 Ｙ Ｚ中平 面 的 ． ， 积 分 值 为３ ９ ３ ２ ． ８ ４ ６
Ａ， 由入 口电 压 １ Ｖ， 出 口电压 ０ １ ｘ Ｖ， 可 得 接 头 的
整体 直流 电阻为 ０ ． ２ ５ ４ ｎ １ ￣ 。
（ ４ ） 图 ３为 沿 Ｙ 轴 方 向分 布 截 图。
２ ０
为 整个超 导 接头 的输 入 电流 ， 以． ， 作为 分析 对 象
是合 理 的 。 （ ２ ） 电流 沿 ｚ轴 上 分 布 均 匀 ， 但 集 中 在 焊
锡及其 附近 区域 ， 焊 锡 区域 上 的 电 流 积 分 值 为
１ ８ ２ ５ ． ４ ７ １ Ａ， 占 总 电流 的 ４ ６ ． ４ ％ 。 内部 铜 管 上 几 乎不 存在 电流 。
ｊ ｌ ０
乌
曼
４ ． ３ ｏ
仉 。
ｎ 。
加到 ３ ０ ｍ ｍ， 电 阻从 ０ ． ２ ８ ６ ｎ １ ２仅 减 ｓ Ｊ ， Ｎ ０ ． ２ ４ ｎ Ｑ。
故 在宽度 在 大 于 ４ ． ６ ｍ ｍ 时 可 不 考 虑 宽 度 对 接 头
图３ Ｙ轴方 向 ． ， 的分 布