本发明属于应用超导技术领域，具体涉及一种用于测量超导导体在不同磁场角度下交流损耗的装置及方法。
背景技术：
超导磁体在高能粒子加速器、稳态强磁场装置、受控热核聚变堆、核磁共振仪(nmr、mri)、储能、风力发电、磁选/磁分离等领域都有着广泛的应用，超导磁体和超导接头交流损耗的大小直接影响其在低温下的热稳定性，进一步影响线圈的运行稳定性和产生的磁场质量。
开展对超导线/带材、超导电缆以及超导接头交流损耗的测试研究，从基础理论角度理解其交流损耗特性与材料尺寸、结构及外部因素影响之间的关系，对于设计和优化超导电缆制备工艺、改善超导接头工艺、提高磁体运行稳定性、保证磁场质量具有重要意义。
技术实现要素：
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于测量超导导体在不同磁场角度下交流损耗的装置及方法，为测量准确度高、样品相对磁场角度水平360°可变、适用于不同尺寸、结构、类型的新型超导导体交流损耗测试装置，用以测量超导线/带材、超导电缆以及超导接头在不同磁场角度下的交流损耗。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种用于测量超导导体在不同磁场角度下交流损耗的装置，其特点在于：包括角度定位模块、顶端法兰、支撑腔体、导气管、样品腔体、样品支架、u形进液管、热电偶；所述角度定位模块通过螺栓与二极磁体顶端法兰固定；所述顶端法兰通过蝶形螺栓与角度定位模块固定，顶端法兰与角度定位模块的相对角度可调；所述支撑腔体嵌入顶端法兰下端圆形凸起的环面，并通过螺栓胶紧固和低温胶密封；所述导气管经由顶端法兰中心通孔、支撑腔体和支撑腔体下法兰，通过低温胶与样品腔体上法兰密封连接；所述样品腔体通过螺栓紧固、低温胶密封的方式与样品腔体上法兰连接，样品腔体上法兰通过三个均布的螺栓与支撑腔体下法兰固定；所述样品支架通过其上、下法兰嵌入样品腔体内，并通过螺栓紧固的方式固定样品支架与样品腔体的位置；所述u形进液管通过低温胶与样品支架下法兰固定；所述热电偶通过低温胶固定在样品支架上。
所述角度定位模块包含角度刻度盘和基座，角度刻度盘的材料是不锈钢，为环形结构，通过低温胶固定在基座上表面凹槽中，角度刻度盘上的刻度分辨率为5°；角度刻度盘基座的材料是胶木，其中心开有圆形通孔，用来嵌套样品杆；在基座凹槽中围绕圆周均布有非通螺纹孔，通过蝶形螺栓锁定顶端法兰与角度低温模块的相对位置；基座圆周边缘均布圆形通孔，用于固定基座与磁体法兰。
所述顶端法兰材料是胶木，顶段支撑法兰中心开有圆形通孔，用于嵌套导气管；偏离中心位置开有圆形通孔，用于嵌套电位线套管；接近圆周边缘均布4个弧形通孔，通过蝶形螺栓锁定顶端法兰与角度刻度盘的相对位置；在弧形通孔与中心通孔之间均布三个螺纹孔，用于固定吊装螺栓；顶端法兰上表面一侧固定有角度定位指针，用于估算测试样品与磁场的相对角度；顶端法兰上表面齐平，下表面为圆形凸起，用来嵌套支撑腔体，在顶端法兰与支撑腔体嵌套的环形区域等角度分布三个螺纹孔，用于加强支撑腔体与顶端法兰的连接。
所述支撑腔体包含圆形套管和下法兰，圆形套管材料是加强玻璃纤维塑料，在装置放入磁体孔时起到固定、防摆动的作用；圆形套管外表面开有每隔一段距离开有小孔作为氦气进气孔，用于冷却内部的导气管，降低导气管导热率，加速稳定导热管内部氦气出气量，提高交流损耗量热法的测量精度；下法兰材料是胶木，下法兰的中心位置和偏离中心位置开有圆形孔，分别用于嵌套导气管和电位线套管；在支撑腔体下法兰与套管接触的环形区域等角度分布三个螺纹孔，用于加强支撑腔体与支撑腔体下法兰的连接；在支撑腔下法兰圆形表面上等角度分布三个螺纹通孔，用于连接支撑腔体和样品腔体。
所述导气管材料是不锈钢，该导气管贯穿于顶端法兰和支撑腔体，并与样品腔体连接。
所述样品腔体包含圆形套管和上法兰，圆形套管材料是加强玻璃纤维塑料，在装置放入磁体孔时起到固定、防摆动的作用，同时起到装载不同样品支架的作用；上法兰材料是胶木，其中心位置和偏离中心位置开有圆形孔，中心圆形孔和偏离中心的圆形孔分别用于嵌套导气管末端和电位线套管，导气管、电位线套管和样品腔体上法兰之间用低温胶固定密封；样品腔体上法兰表面均布三个非通螺纹孔，用于连接样品腔体和支撑腔体。
所述样品支架包含样品支撑体、线圈基座、感应线圈和补偿线圈，样品支撑体材料是胶木，样品支撑体的上法兰为一个边缘带凹槽、中心位置有圆形通孔圆柱体，凹槽用做电位线导引，通孔用作氦气通路；样品支架下法兰是一个侧面为凸字形、中心位置有圆形通孔圆柱体，通孔用于连接u形进液管，下法兰与套管接触区域等角度分布三个螺纹孔，用于固定样品支架与样品腔体的相对位置；样品支撑体中部包含竖直固定板和水平固定模块，作用是使样品在长度方向与水平磁场方向保持垂直；线圈基座材料是g10,其结构包含四个竖直的线圈卡柱和一个与样品截面尺寸契合的凹槽，卡柱用于固定两个以90度夹角缠绕的感应线圈，凹槽用于嵌套在测量样品的上、下端部；感应线圈和补偿线圈材料是铜线，每个含两组线圈，以90度夹角沿样品长度方向缠绕在线圈基座上，用于在交变磁场中测量样品和背景磁场的交流损耗信号。
所述u形进液管材料是耐热玻璃管，用于将杜瓦中的液氦导入到样品腔体中，同时避免杜瓦内部蒸发的液氦气体进入样品腔体中，保证量热法测量的精确度。
所述热电偶材料是紫铜线圈，用于标定气体流量计输出电压与发热功率之间的函数关系，使得量热法测量精度更高。
本发明的一种用于测量超导导体在不同磁场角度下交流损耗的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将感应线圈基座与补偿线圈基座分别固定在测试样品和g10假样两端，将第一感应线圈和第二感应线圈以90°夹角分别沿测试样品轴向缠绕在感应线圈基座上，将第一补偿线圈和第二补偿线圈以90度夹角分别沿g10假样轴向缠绕在补偿线圈基座上；
(2)将缠绕了感应线圈的测试样品和缠绕了补偿线圈的g10假样分别嵌于样品水平固定连接块内，并将水平固定连接块与样品竖直固定盖板和样品竖直固定基座通过螺栓固定；样品竖直固定盖板和样品竖直固定基座两端与样品支架上连接块和样品支架下连接块通过螺栓连接；样品支架上连接块和样品支架下连接块通过螺栓分别与样品支架上法兰和样品支架下法兰固定；
(3)将样品支架插入样品腔体中，通过螺栓将样品支架下法兰与样品腔体固定，将整个装置放入低温杜瓦中并插入背景磁体，当磁体产生水平交流磁场时，通过旋转装置顶端法兰调节样品表面与水平交流磁场之间的相对角度，通过采集感应线圈和补偿线圈产生的感应信号，来进一步分析样品的交流损耗数值，从而达到测量超导导体在不同磁场角度下交流损耗的目的。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明的超导导体在不同磁场角度下交流损耗的装置可在4.2k液氦运行温区、1.5t水平交流场下，测量任意背场与测量样品宽面相对夹角下超导线/带材、超导电缆以及超导接头的交流损耗，测量准确度高；旋转装置顶端法兰，改变样品宽面相对于磁场的角度后，采用蝶形螺栓在顶端法兰处进行固定，结构简单，便于实施；顶端法兰外侧的固定托盘上连接有角度刻度盘，顶端法兰上端安置有角度指针，能够实时估算测试样品宽面与背景磁场的相对角度，保证旋转角度的准确性，使得测量结果更加准确；样品支架竖直固定板上留有多组水平固定模块连接孔，可根据样品长度调节水平固定模块的位置，也可根据不同的样品尺寸形状来制备不同规格的水平固定模块来固定测试样品，测量方式灵活多变，应用范围十分广泛；本发明采用感应线圈测量法与量热法结合的方式，扩展了对超导导体交流损耗的探测范围，可用于测量交流场频率小于等于0.02hz时超导导体的交流损耗；感应线圈采用紧密缠绕工艺，漏磁量小，测量精度高；本发明对超导线/带材、超导电缆及超导接头的交流损耗研究意义重大，为超导导体结构优化及超导磁体的设计研制奠定重要基础。
附图说明
图1为本发明的超导导体多磁场角度交流损耗测试装置的三维结构示意图一；
图2为本发明的超导导体多磁场角度交流损耗测试装置的三维结构示意图二；
图3为本发明的超导导体多磁场角度交流损耗测试装置的顶端法兰端面示意图；
图4为本发明的超导导体多磁场角度交流损耗测试装置的样品支架示意图一；
图5为本发明的超导导体多磁场角度交流损耗测试装置的样品支架示意图二；
图6为本发明的超导导体多磁场角度交流损耗测试装置的样品支架示意图二的上截面示意图；
图7为本发明的超导导体多磁场角度交流损耗测试装置的测试样品及感应线圈示意图；
图8为本发明的超导导体多磁场角度交流损耗测试装置的假样及补偿线圈示意图；
图9为本发明的超导导体多磁场角度交流损耗测试装置的工作原理示意图。
图中：1-角度刻度盘2-角度定位指针3-顶端法兰4-支撑腔体5-导气管6-支撑腔体下法兰7-样品腔体上法兰8-样品腔体9-样品支架10-u形进液管11-感应线圈基座12-第一感应线圈13-第二感应线圈14-补偿线圈基座15-第一补偿线圈16-第二补偿线圈17-热电偶18-刻度盘固定法兰19-蝶形螺栓20-吊装螺栓21-支撑腔体与样品腔体连接螺栓22-样品支架上法兰23-样品支架上法兰的侧面通气槽24-样品支架上法兰的中心通气孔25-样品支架上连接块26-样品水平固定连接块27-样品竖直固定盖板28-竖直固定盖板与水平固定连接块接缝29-水平固定连接块锁定槽30-样品竖直固定基座31-样品支架下连接块32-样品支架连接块与竖直固定板连接的螺纹通孔33-样品支架下法兰34-固定样品支架与样品腔体的侧面螺纹孔35-测试样品36-g10假样37-连接u形进液管的样品支架下法兰中心通孔38-电位线出线口39-超导导体多磁场角度交流损耗测试装置40-背景磁体41-低温杜瓦。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对发明进行详细说明。
如图1-9所示，本发明的用于测量超导导体多磁场角度交流损耗测试装置，包括样品支架9、样品腔体8、u形进液管10、支撑腔体4、导气管5、顶端法兰3、角度刻度盘1、刻度盘固定法兰18。
样品支架9包含样品支架上法兰22、样品支架上连接块25、样品竖直固定盖板27、样品竖直固定基座30、样品支架下连接块31、样品水平固定连接块26、感应线圈基座11、第一感应线圈12、第二感应线圈13、补偿线圈基座14、第一补偿线圈15、第二补偿线圈16、样品支架下法兰33；
测试样品35的上、下两端分别嵌入感应线圈基座11中，将第一感应线圈12和第二感应线圈13沿样品长度方向分别缠绕在上、下两端的线圈基座11上，两个感应线圈，即第一感应线圈12和第二感应线圈13夹角为90度；同理，将与测试样品35尺寸相同的g10假样36的上、下两端分别嵌入补偿线圈基座14中，将第一补偿线圈15和第二补偿线圈16沿样品长度方向分别缠绕在上、下两端的线圈基座14上，两个补偿线圈夹角为90度；将感应线圈基座11与补偿线圈基座14分别嵌入样品水平固定连接块26中，并将样品水平固定连接块26分别嵌入样品竖直固定盖板27和样品竖直固定基座30的中心轨道中，样品水平固定连接块26与样品竖直固定盖板27、样品竖直固定基座30的接触面经水平固定连接块锁定槽使用弱磁性螺丝、垫片进行紧固；竖直固定盖板27和样品竖直固定基座30其在上、下端部与样品支架上连接块25和样品支架下连接块31通过螺栓固定，样品支架上连接块25和样品支架下连接块31分别与样品支架上法兰22和样品支架下法兰33通过螺栓紧固；样品支架下法兰33的环形侧面均布3个固定样品支架与样品腔体的侧面螺纹孔34，用来固定样品支架9与样品腔体8之间的相对位置；u形进液管与样品支架下法兰33通过连接u形进液管的样品支架下法兰中心通孔37连接，保证液氦环境下样品腔体8内外具有相同的液位。对于不同尺寸的样品，可通过制备不同的样品支架上连接块25、样品支架下连接块31，样品水平固定连接块26，样品竖直固定盖板27、样品竖直固定基座30，感应线圈基座11和补偿线圈基座14来实现对其在不同磁场角度下的交流损耗测试。
在样品支架9与样品腔体8连接固定后，将超导导体多磁场角度交流损耗测试装置39吊装插入低温杜瓦41里的背景磁体40中，将刻度盘固定法兰18通过螺栓与磁体顶端固定，磁体在运行状态时，松动蝶形螺栓19，通过吊装螺栓20旋转测试装置顶端法兰3调节样品与磁场的角度，当第一感应线圈12信号幅值最大时，即磁场垂直于第一感应线圈12形成的平面，将此时角度定位指针2所对应的位置即为初始角度，采集此时感应线圈和补偿线圈在交流磁场下所感应的电压信号，同时通过流量计记录样品交流损耗导致的液氦蒸发量。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。
1.一种用于测量超导导体在不同磁场角度下交流损耗的装置，其特征在于：包括角度定位模块、顶端法兰、支撑腔体、导气管、样品腔体、样品支架、u形进液管和热电偶；所述角度定位模块与顶端法兰固定；所述顶端法兰与角度定位模块固定，顶端法兰与角度定位模块的相对角度可调；所述支撑腔体嵌入顶端法兰下端圆形凸起的环面，并紧固和低温胶密封；所述导气管经由顶端法兰中心通孔、支撑腔体和支撑腔体下法兰，通过低温胶与样品腔体上法兰密封连接；所述样品腔体通过螺栓紧固和低温胶密封的方式与样品腔体上法兰连接，样品腔体上法兰与支撑腔体下法兰固定；所述样品支架通过样品支架上、下法兰嵌入样品腔体内，并通过紧固的方式固定样品支架与样品腔体的位置；所述u形进液管通过低温胶与样品支架下法兰固定；所述热电偶通过低温胶固定在样品支架上。
2.根据权利要求1所述的用于测量超导导体在不同磁场角度下交流损耗的装置，其特征在于：所述角度定位模块包括：角度刻度盘和基座，角度刻度盘的材料为不锈钢，为环形结构，通过低温胶固定在基座上表面凹槽中；基座的材料为胶木，基座中心开有圆形通孔，用来嵌套样品杆；在基座上表面凹槽中围绕圆周均布有非通螺纹孔，通过蝶形螺栓锁定角度定位模块与顶端法兰的相对位置；基座上表面圆周边缘均布圆形通孔，用于固定基座与磁体法兰。
3.根据权利要求1所述的用于测量超导导体在不同磁场角度下交流损耗的装置，其特征在于：所述顶端法兰的材料是胶木，顶端法兰中心开有圆形通孔，用于嵌套导气管；偏离中心位置开有圆形通孔，用于嵌套电位线套管；接近圆周边缘均布4个弧形通孔，通过蝶形螺栓锁定顶端法兰与角度刻度盘的相对位置；在弧形通孔与中心通孔之间均布三个螺纹孔，用于固定吊装螺栓；顶端法兰上表面一侧固定有角度定位指针，用于估算测试样品与磁场的相对角度；顶端法兰上表面齐平，下表面为圆形凸起，用来嵌套支撑腔体，在顶端法兰与支撑腔体嵌套的环形区域等角度分布三个螺纹孔，用于加强支撑腔体与顶端法兰的连接。
4.根据权利要求1所述的用于测量超导导体在不同磁场角度下交流损耗的装置，其特征在于：所述支撑腔体包括圆形套管和下法兰，圆形套管材料是加强玻璃纤维塑料，在装置放入磁体孔时起到固定、防摆动的作用；圆形套管外表面开有每隔一段距离开有小孔作为氦气进气孔，用于冷却内部的导气管，降低导气管导热率，加速稳定导热管内部氦气出气量，提高交流损耗量热法的测量精度；下法兰的材料是胶木，下法兰中心位置和偏离中心位置开有圆形孔，中心圆孔和偏离中心的圆孔分别用于嵌套导气管和电位线套管；在支撑腔体下法兰与套管接触的环形区域等角度分布三个螺纹孔，用于加强支撑腔体与支撑腔体下法兰的连接；在支撑腔下法兰圆形表面上等角度分布三个螺纹通孔，用于连接支撑腔体和样品腔体。
5.根据权利要求1所述的用于测量超导导体在不同磁场角度下交流损耗的装置，其特征在于：所述导气管的材料为不锈钢，该导气管贯穿于顶端法兰和支撑腔体，并与样品腔体连接。
6.根据权利要求1所述的用于测量超导导体在不同磁场角度下交流损耗的装置，其特征在于：所述的样品腔体包含圆形套管和上法兰，圆形套管材料是加强玻璃纤维塑料，在装置放入磁体孔时起到固定、防摆动的作用，同时起到装载不同样品支架的作用；上法兰材料是胶木，上法兰中心位置和偏离中心位置开有圆形孔，分别用于嵌套导气管末端和电位线套管，导气管、电位线套管和样品腔体上法兰之间用低温胶固定密封；样品腔体上法兰表面均布三个非通螺纹孔，用于连接样品腔体和支撑腔体。
7.根据权利要求1所述的用于测量超导导体在不同磁场角度下交流损耗的装置，其特征在于：所述样品支架包括：样品支撑体、线圈基座、感应线圈和补偿线圈；样品支撑体的材料采用胶木，样品支撑体的上法兰为一个边缘带凹槽、中心位置有圆形通孔圆柱体，凹槽用做电位线导引，通孔用作氦气通路；样品支架下法兰是一个侧面为凸字形、中心位置有圆形通孔圆柱体，通孔用于连接u形进液管，下法兰与套管接触区域等角度分布三个螺纹孔，用于固定样品支架与样品腔体的相对位置；样品支撑体中部包含竖直固定板和水平固定模块，作用是使样品在长度方向与水平磁场方向保持垂直；线圈基座材料为g10,线圈基座结构包含四个竖直的卡柱和一个与样品截面尺寸契合的凹槽，卡柱用于固定两个以90度夹角缠绕的感应线圈，凹槽用于嵌套在测量样品的上、下端部；感应线圈和补偿线圈材料采用铜线，每个含两组线圈，以90度夹角沿样品长度方向缠绕在线圈基座上，用于在交变磁场中测量样品和背景磁场的交流损耗信号。
8.根据权利要求1所述的用于测量超导导体在不同磁场角度下交流损耗的装置，其特征在于：所述u形进液管的材料采用耐热玻璃管，通过低温胶与样品支架下法兰中心通孔密封连接，用于将杜瓦中的液氦导入到样品腔体中，同时避免杜瓦内部蒸发的液氦气体进入样品腔体中。
9.一种用于测量超导导体在不同磁场角度下交流损耗的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将感应线圈基座与补偿线圈基座分别固定在测试样品和g10假样两端，将第一感应线圈和第二感应线圈以90°夹角分别沿测试样品轴向缠绕在感应线圈基座上，将第一补偿线圈和第二补偿线圈以90度夹角分别沿g10假样轴向缠绕在补偿线圈基座上；
(2)将缠绕了感应线圈的测试样品和缠绕了补偿线圈的g10假样分别嵌于样品水平固定连接块内，并将水平固定连接块与样品竖直固定盖板和样品竖直固定基座通过螺栓固定；样品竖直固定盖板和样品竖直固定基座两端与样品支架上连接块和样品支架下连接块通过螺栓连接；样品支架上连接块和样品支架下连接块通过螺栓分别与样品支架上法兰和样品支架下法兰固定；
(3)将样品支架插入样品腔体中，通过螺栓将样品支架下法兰与样品腔体固定，将整个装置放入低温杜瓦中并插入背景磁体，当磁体产生水平交流磁场时，通过旋转装置顶端法兰调节样品表面与水平交流磁场之间的相对角度，通过采集感应线圈和补偿线圈产生的感应信号，来进一步分析样品的交流损耗数值，从而达到测量超导导体在不同磁场角度下交流损耗的目的。
技术总结