本發(fā)明屬于超導(dǎo)線(xiàn)材連接技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種在無(wú)氦磁體中使用的MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)圈的超導(dǎo)接頭及其制作方法。

背景技術(shù)：

二硼化鎂（MgB₂）在2001年被發(fā)現(xiàn)是超導(dǎo)體，相較于其他常規(guī)超導(dǎo)材料有較高的臨界溫度，MgB2在材料和制造成本等方面相對(duì)較低，所以被認(rèn)為是很有希望應(yīng)用在磁共振成像系統(tǒng)（MRI）磁體等方面，尤其是無(wú)氦模式磁共振成像系統(tǒng)（FHeMRI）磁體中的一種候選材料。無(wú)氦磁體與液氦磁體相比，無(wú)需液氦做制冷劑而僅由制冷機(jī)控制工作環(huán)境溫度，所以選擇臨界溫度較高的MgB2作為超導(dǎo)材料更為合適。目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的磁共振成像系統(tǒng)（MRI）主要是采用鈮鈦（NbTi）材料超導(dǎo)線(xiàn)繞制的超導(dǎo)磁體。傳統(tǒng)的NbTi超導(dǎo)線(xiàn)可以通過(guò)熔接等方法進(jìn)行超導(dǎo)連接，而MgB2是一種脆性的陶瓷材料，且熔點(diǎn)高，不能通過(guò)傳統(tǒng)方法進(jìn)行超導(dǎo)連接。現(xiàn)在的超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)（MRI）磁體內(nèi)充滿(mǎn)了昂貴的液氦（LHe）來(lái)維持NbTi超導(dǎo)線(xiàn)4.2K的臨界溫度。但是，不斷攀升的液氦價(jià)格和極有可能短缺的液氦資源，大幅增加了對(duì)無(wú)氦磁體的需求。MgB₂的臨界溫度為39K，故可允許其在高達(dá)10K-25 K的溫度下工作。

同時(shí)，超導(dǎo)接頭的好壞將直接影響到磁體的能否長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，在磁場(chǎng)以及溫度15K的條件下需實(shí)現(xiàn)小于1.3×10^-10Ω的接合電阻。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的MgB₂超導(dǎo)接頭載流能力不強(qiáng)，且在制作接頭過(guò)程中，由于MgB₂本身的脆性極易導(dǎo)致超導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)芯折斷。我們根據(jù)Mg、B 和MgB₂超導(dǎo)體的物理化學(xué)特性，提出一種實(shí)現(xiàn)MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)材安全可靠的超導(dǎo)連接裝置。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)兩段MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)的連接，還可以使接頭電阻達(dá)到磁共振系統(tǒng)穩(wěn)定持久工作所需。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

MgB₂是一種金屬與非金屬高熔點(diǎn)合金材料，單絲MgB2超導(dǎo)線(xiàn)是通過(guò)粉末裝管法技術(shù)和原位工藝制造。使用Mg、B 混合粉末作為原始材料，裝入金屬管中，鍛造好的復(fù)合材料導(dǎo)線(xiàn)隨后被拉制成超導(dǎo)線(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種超導(dǎo)接頭，包括有反應(yīng)桶、沖壓桶蓋、MgB₂塊和兩根MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)，所述的反應(yīng)桶側(cè)壁開(kāi)設(shè)有用于MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)穿入的方形通孔，反應(yīng)桶內(nèi)側(cè)底部設(shè)有用于MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)定位的導(dǎo)向卡槽，所述的通孔在反應(yīng)桶內(nèi)側(cè)底部與所述的導(dǎo)向卡槽連通且方向一致；所述的兩根MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)并排緊貼穿過(guò)通孔定位在導(dǎo)向卡槽內(nèi)，兩根MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)的MgB₂超導(dǎo)內(nèi)芯在反應(yīng)桶內(nèi)通過(guò)MgB₂塊連接；所述的反應(yīng)桶上口設(shè)有沖壓桶蓋，沖壓桶蓋與反應(yīng)桶之間通過(guò)插接方式密封配合。

作為優(yōu)選，所述的通孔的高度寬度尺寸與兩根并排的MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)的高度寬度尺寸適配；所述的導(dǎo)向卡槽寬度尺寸與兩根并排的MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)的寬度尺寸適配。

作為優(yōu)選，所述的反應(yīng)桶的內(nèi)腔呈直立柱形。

作為優(yōu)選，所述的反應(yīng)桶與沖壓桶蓋之間設(shè)有高溫密封層；所述的方形通孔與兩根MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)之間也設(shè)有高溫密封層。

作為優(yōu)選，所述的高溫密封層為GL-900耐高溫?zé)o硅密封膠材料。

一種超導(dǎo)接頭的制作方法，至少包括以下步驟：

A.采用機(jī)械（物理）拋光或化學(xué)腐蝕等方法把兩根待連接的MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)端部一面一段長(zhǎng)約5mm的金屬護(hù)套材料剝離，直至暴露出MgB₂超導(dǎo)內(nèi)芯，其余部分保留,接下來(lái)將兩根剝離了部分護(hù)套材料的MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)置于平行緊密貼合的狀態(tài)，暴露出MgB₂超導(dǎo)內(nèi)芯的接觸面需朝向同一方向放置；

B. 將兩根待連接的MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)插入通孔的高溫密封材料中，再將其通過(guò)側(cè)壁方形通孔插入反應(yīng)桶的立柱形空腔內(nèi)，反應(yīng)桶底部導(dǎo)向卡槽的設(shè)計(jì)可與MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)完美吻合，用以固定超導(dǎo)接頭，使超導(dǎo)接頭結(jié)構(gòu)在空腔內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)；

需保證暴露出的MgB₂超導(dǎo)內(nèi)芯接觸面朝向反應(yīng)桶上開(kāi)孔方向放置，另一面保證與反應(yīng)桶上底部接觸，隨后，在150℃下在干燥爐中對(duì)密封材料進(jìn)行15分鐘的固化處理；

C.將已經(jīng)研磨好的且與制造MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)相同批次的（Mg + 2B）粉末均勻混合，適量的鋪覆在反應(yīng)桶內(nèi)腔中，且與兩段MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)芯的接觸面充分接觸；

上述填充的Mg粉和B粉的摩爾比為1∶2，Mg粉細(xì)度99％，粒度325目，無(wú)定形B粉細(xì)度98.8％，粒度約400nm，粉末密度約為1.96g/cm³±4％；

D.為了保證接頭處燒結(jié)反應(yīng)后的MgB₂塊與原MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)內(nèi)芯的結(jié)合強(qiáng)度，再將高溫密封材料添加在反應(yīng)桶頂部。使用合適大小的沖壓桶蓋，將接頭裝置置于壓機(jī)中，垂直沖壓桶蓋表面方向上施加約10T/cm²（?0.93Gpa）的壓力，保持壓力10分鐘，使反應(yīng)桶與沖壓桶蓋緊密壓制不松脫，提高整個(gè)裝置的致密度；

E.將反應(yīng)桶頂部的高溫密封層在150℃下的干燥爐中固化15分鐘；再將整個(gè)壓制后的裝置置于高純氬（Ar）惰性保護(hù)氣氛的燒結(jié)爐中，快速熱處理至700℃下，并保持90分鐘，使Mg、B 粉充分反應(yīng)生成MgB₂，便可實(shí)現(xiàn)兩段MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)的超導(dǎo)連接，

上述接頭裝置需自然冷卻至室溫，之后即可從爐中取出整個(gè)接頭裝置，得到穩(wěn)固連接的MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下：

本發(fā)明將MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)材放置在反應(yīng)桶的內(nèi)腔中，并通過(guò)施加壓力使接頭處致密化，可有效減少外界氣氛對(duì)燒結(jié)反應(yīng)的影響，且提高機(jī)械強(qiáng)度和接頭致密度，有效降低接頭處電阻，保障接頭能夠在超導(dǎo)磁體中處于長(zhǎng)期穩(wěn)定的狀態(tài)。

本發(fā)明將剝離一半護(hù)套金屬的MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)置于反應(yīng)桶下部凹陷，且剩余一半護(hù)套金屬與底部接觸墊實(shí)，用于反應(yīng)的混合粉末在其上部。能夠保證受到壓力后，原MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)不會(huì)因?yàn)樽陨泶嘈远蹟?，保證原超導(dǎo)線(xiàn)的超導(dǎo)性能。

本發(fā)明在接頭處添加Mg、B混合粉末，利用Mg的較低熔點(diǎn)及MgB₂低于自身熔點(diǎn)的成相反應(yīng)溫度，在較低溫度下實(shí)現(xiàn)反應(yīng)焊接。最大限度地增大接觸面積與反應(yīng)前施加壓力，接頭燒結(jié)的MgB₂與超導(dǎo)線(xiàn)原有的MgB₂內(nèi)芯結(jié)合強(qiáng)度高，有效降低接頭處電阻，提高接頭處臨界電流特性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)接頭裝置的截面圖。

圖2為本發(fā)明反應(yīng)桶的剖面圖。

圖3為本發(fā)明兩根MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)剝離護(hù)套材料后的示意圖。

圖4為本發(fā)明將MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)伸入到反應(yīng)桶空腔內(nèi)的示意圖。

圖5為本發(fā)明反應(yīng)桶填充鎂硼混合粉末的示意圖。

圖6為本發(fā)明中添加高溫密封材料與插接擠壓桶蓋的示意圖。

圖7為本發(fā)明安裝完畢后的示意圖。

圖中，1：MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)；2：高溫密封層；3：反應(yīng)桶；4：MgB₂塊；5：沖壓桶蓋；6：導(dǎo)向卡槽；7：通孔。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明一種超導(dǎo)接頭及其制作方法作進(jìn)一步說(shuō)明：

如圖1、圖2所示，一種超導(dǎo)接頭，包括有反應(yīng)桶3、沖壓桶蓋5、MgB₂塊4和兩根MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)1，所述反應(yīng)桶3外部形狀為圓柱形，內(nèi)部呈一個(gè)直立柱形空腔；所述的反應(yīng)桶3側(cè)壁開(kāi)設(shè)有用于MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)1穿入的方形通孔7，通孔7的高度寬度尺寸與兩根并排的MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)1的高度寬度尺寸適配，反應(yīng)桶3內(nèi)側(cè)底部設(shè)有用于MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)1定位的導(dǎo)向卡槽6，卡槽6寬度尺寸與兩根并排的MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)1的寬度尺寸適配，所述的通孔7在反應(yīng)桶3內(nèi)側(cè)底部與所述的導(dǎo)向卡槽6連通，且通孔7與導(dǎo)向卡槽6方向一致、底部齊平、光滑過(guò)渡。所述的兩根MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)1并排緊貼穿過(guò)通孔7定位在導(dǎo)向卡槽6內(nèi)，兩根MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)1的MgB₂超導(dǎo)內(nèi)芯在反應(yīng)桶3內(nèi)通過(guò)MgB₂塊4連接。所述的沖壓桶蓋5與反應(yīng)桶3上口通過(guò)插接方式密封配合。并且，所述的反應(yīng)桶3與沖壓桶蓋5之間設(shè)有高溫密封層2；所述的方形通孔7內(nèi)壁上也設(shè)有高溫密封層2。所述的高溫密封層2為GL-900耐高溫?zé)o硅密封膠材料。

一種超導(dǎo)接頭的制作方法，該方法有以下操作步驟：

步驟一，如圖3所示，采用機(jī)械（物理）拋光或化學(xué)腐蝕等方法把兩根待連接的MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)端部一面一段長(zhǎng)約5mm的金屬護(hù)套材料剝離，直至暴露出MgB₂超導(dǎo)內(nèi)芯，其余部分保留。接下來(lái)將兩根剝離了部分護(hù)套材料的MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)1置于平行緊密貼合的狀態(tài)，暴露出MgB₂超導(dǎo)內(nèi)芯的接觸面需朝向同一方向放置。

步驟二，如圖4所示，將兩根待連接的MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)1插入通孔7的高溫密封材料2中，再將其通過(guò)側(cè)壁方形通孔7插入反應(yīng)桶3的立柱形空腔內(nèi)，反應(yīng)桶3底部導(dǎo)向卡槽6的設(shè)計(jì)可與MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)完美吻合，用以固定超導(dǎo)接頭，使超導(dǎo)接頭結(jié)構(gòu)在空腔內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)。

上述步驟需保證暴露出的MgB₂超導(dǎo)內(nèi)芯接觸面朝向反應(yīng)桶3上開(kāi)孔方向放置，另一面保證與反應(yīng)桶3上底部接觸。隨后，在150℃下在干燥爐中對(duì)密封材料進(jìn)行15分鐘的固化處理。

步驟三，如圖5所示，將已經(jīng)研磨好的且與制造MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)相同批次的（Mg + 2B）粉末4均勻混合，適量的鋪覆在反應(yīng)桶3內(nèi)腔中，且與兩段MgB2超導(dǎo)線(xiàn)1內(nèi)芯的接觸面充分接觸。

上述填充的Mg粉和B粉4的摩爾比為1∶2，Mg粉細(xì)度99％，粒度325目，無(wú)定形B粉細(xì)度98.8％，粒度約400nm，粉末密度約為1.96g/cm³±4％。

步驟四，如圖6所示，為了保證接頭處燒結(jié)反應(yīng)后的MgB₂塊4與原MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)1內(nèi)芯的結(jié)合強(qiáng)度，再將高溫密封材料2添加在反應(yīng)桶3頂部。使用合適大小的沖壓桶蓋5，將接頭裝置置于壓機(jī)中，垂直沖壓桶蓋5表面方向上施加約10T/cm²（?0.93Gpa）的壓力，保持壓力10分鐘，使反應(yīng)桶2與沖壓桶蓋5緊密壓制不松脫，提高整個(gè)裝置的致密度。

步驟五，如圖7所示，將反應(yīng)桶3頂部的高溫密封層2在150℃下的干燥爐中固化15分鐘。再將整個(gè)壓制后的裝置置于高純氬（Ar）惰性保護(hù)氣氛的燒結(jié)爐中，快速熱處理至700℃下，并保持90分鐘，使Mg、B 粉充分反應(yīng)生成MgB₂，便可實(shí)現(xiàn)兩段MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)1的超導(dǎo)連接。

上述接頭裝置需自然冷卻至室溫，之后即可從爐中取出整個(gè)接頭裝置，得到穩(wěn)固連接的MgB₂超導(dǎo)線(xiàn)。

上述MgB₂超導(dǎo)接頭的運(yùn)行溫度為4~30K。

以上上述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。