【国家标准(GB)】 铌钛复合超导体的直流临界电流测量

ICS77.040.01
中华人民共和国国家标准
GB/T21546—2008/IEC61788-1:2006锯钛复合超导体的直流临界电流测量Critical current measurement-DC critical current of Nb-Ti composite superconductors(IECSuperconductivity--Part l:Critical currentmeasurement-DC critical current of Nb-Ti composite superconductors,IDT)2008-03-31发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准花管理委员会
2008-11-01实施
GB/T21546—2008/IEC61788-1:2006本标准是根据国际电工委员会制定的国际标准IEC61788-1：2006《锯钛复合超导体的直流临界电流测量》制定的，在技术内容上与该国际标准等同。为了让使用者了解本标准中的术语和GB/T13811一2003《电工术语超导电性》的对应关系，本标准中各术语的条目中都注明有GB/T13811—2003的条目编号。GB/T13811---2003与国际电工委员会制定的国际标准IEC60050（815)在技术内容上等同。本标准的附录A、附录B和附录D为资料性附录，附录C为规范性附录。本标准由国家超导技术联合研究开发中心和全国超导标准化技术委员会提山。本标准由全国超导标准化技术委员会归口。本标准负责起草单位：中国科学院电工研究所和国家超导技术联合研究开发中心。本标准参加起草单位：中国科学院微系统与信息技术研究所、北京有色金属研究总院、中国科技大学、西北有色金属研究院。
本标准主要起草人：林良真、惠东、刘宜平、张宏、华崇远、曹烈兆、汪京荣。本标准首次发布。
GB/T21546—2008/IEC61788-1:2006引言
复合超导体的临界电流能够为超导线的应用提供设计参考。在实际应用中，超导体的性能取决于其运行条件。本标准的测试方法可以为给定超导体的适用性提供部分有用信息。依据本标准所测得的结果也可以用于检定复合超导体在制备过程、储运、老化或种种使用及外界因索下所引起的超导特性变化。而本标准测量方法对于质量控制、验收以及研究也非常重要。复合超导体的临界电流受许多因素影响。在材料的测试和应用中需要对这些因素给以充分考虑。测试条件如磁场、温度和样品-电流-磁场间相对取向等，要根据具体的应用来确定。在允许的误差范围内，可根据特定样品的情况来确定测试系统的配置。而具体的临界电流判据可按实际应用状况确定。如果测试中出现有不规律的情况，则需要通过测量一定数量的样品来获得测试结果。1范围
GB/T21546—2008/IEC61788-1:2006锯钛复合超导体的直流临界电流测量本标准测试方法适用于测定铜-超比大于1的铜/锯钛(Cu/Nb-Ti)复合超导体的直流临界电流，也同样适用于测定锯钛芯丝直径大于1μm、铜-超比大于0.9、铜镍合金(Cu-Ni)-超导体比大于0.2的铜/铜镍/锯钛(Cu/Cu-Ni/Nb-Ti)超导线的直流临界电流。由于铜/锯钛(Cu/Nb-Ti)复合超导体和铜/铜镍/钜钛(Cu/Cu-Ni/Nb-Ti)超导体两者的临界电流测试方法略有不同，本标准的附录C(规范性）将介绍测量铜/铜镍/锯钛(Cu/Cu-Ni/Nb-Ti)超导体时所需特别遵从的规定。本标准测试方法适用于在标准的测试条件下超导体所处的磁场小于或等于其上临界磁场的0.7倍、临界电流小于1000A、n值大于12的超导体。测量时，被测样品应没泡在已知温度的液氮中。被测导体应为圆形或矩形截面的一体化超导线，其截面积小于2mm。被测样品应具有螺旋线圈几何形状。本标准还给出在日常测试中为本实验方法所允许的偏离以及其他具体限定。临界电流大于1000A或者截面积大于2mm2的导体也可以使用本方法测量，但测量不确定度会增大，且自场效应更明显（见附录B)。此外，为了简单和保持比较低的测量不确定度，本标准不涉及对于大截面导体可能更适合的特殊样品形状。本标准给出的测量方法经过适当修改可适用于测定其他类型复合超导线的临界电流。2规范性引用文件
下列文件中的条款通过在本标准中的引用而构成为本标准的条款。凡是注月期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准，然面，皱励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注目期的引用文件，其最新版本使用于本标准。GB/T13811-2003电工术语
3术语和定义
GB/T13811一2003确立的以及下列术语和定义适用于本标准。3.1
critical current
临界电流
在超导体中，被认为是无阻通过的最大直流电流。注：le是磁场强度和温度的函数。3.2
号critical currentcriterion
临界电流判据
Ic判据Iecriterion
根据电场强度E或电阻率β确定临界电流的判据。注：常用的电场强度判据为E=10μV/m或E=100μV/m，电阻率判据为p=10-13a·m或p=10n·m。3.3
［超导体的]n-值n-value(ofasuperconductor）n
在特定的电场强度或电阻率区间，超导体的电压-电流曲线U(I)可近似表示为Uα℃I\，其中I的幕指数就是超导体的n值。
GB/T21546—2008/IEC61788-1:20063.4
失超quench
超导体或超导器件由超导态到正常态的不可控和不可逆的转变。注：该术讲通常用于超导磁体。3.5
三组元超导线three-componentsuperconductingwire由一种超导组元和两种常导基体材料组成的复合超导线，注：这-术语主要用于Cu/Cu-Ni/Nb-Ti复合超导体。3.6
（磁通涡旋上的）洛伦兹力Lorentzforce(on-fluxons）电流作用于磁通涡旋上的力。
注1：单位体积的洛伦兹力为了×B行是电流密度，B是磁通密度。注2：“洛伦效力”定义见珍V121-11-20.[]3.7
（复合超导体的）电流转移
cufrenttransfer(ofcompositesuperconductor)在复合超导体中直流龟流在芯丝间转移导致沿导体产生电压的现象。注：在测欣Ic时该现象一般出现在邻近电流接点区域，在该区域输人电流从表面沿导体向内部流动直到实现在芯丝间均匀份布
恒定速率升流涛eonstant sweep rate method以恒定升流迷游为样品提供直流电流，在电流从零升到略大予临界电流Ic值的过程中，以一定的采样频率采集U-数据的方法。
升流-恒流-升流法》ramp-and-boldmethod根据测试需求，沿U曲线设定多个恰当分布的点.电流从·个设定点升流到另长个设定点后再保持一-定时间的恒流，间时记录若干相应的电流和电压值，然后继续升流到后续设定点4原理
合超导体的临界电流是通过样品处于恒压状态和特定温度下的致冷液中，并在一定外加静磁场强度（磁场）下所测得电压（U)-电流（I)特性来确定的。为了测量电压-电流(U-I)特性，给超导体样品通以直流电流，并测量沿一段超导样品所产生的电压。电流从零增加，并记录所产生的U-I特性。达到设定的临界电场强度(电场)判据(Ec)或者电阻率判据(pc）所对应的电流值即为临界电流值。无论Ec或pc判据，对于一定间距的电压抽头之间都有相对应的电压判据(Uc）。5要求
逃行超导体临界电流测量时，将直流电流（I)通过超导体样品，然后测量样品上一段的电压降（U）。电流应从零开始逐浙增加，并记录样品的电压-电流(U-I)特性。应施加足够张力或使用低温粘接剂将样品固定在样品骨架上。注1：对于铜/铜镍/锯钛(Cu/Cu-Ni/Nb-Ti)超导体，应按附录C.2.1的要求进行。本方法的目标不确定度定义为一个变化系数（标准偏差除以临界电流测定结果的平均值），在实验室间比对测量时，它不应超过3%。注2：对于铜/铜镍/说钛(Cu/Cu-Ni/Nb-Ti)超导体的目标不确定度处理，应按附录C.2.2的要求进行。2
GB/T21546—2008/IEC61788-1:2006本测试方法不采用通用的电流转移修正。此外，如果在测试中出现明显的电流转移，测量结果应视为无效。
本测量标准的使用者有责任考虑并建立适当地保证安全和健康的操作规程，并在使用前确定规程的适用性。一些真体的注意事项陈述如下：在此类测量中存在不安全因素。低压大电流虽不足以造成直接人身危害，但是，如果电流引线与其他导体如工具或输液管发生短路，会释放巨大能量并引发电弧或燃烧。因此，必须采用适当的绝缘和隔离措施以防止电流引线短路。同样，提供背景磁场的超导磁体其储能也会引发类似的大电流和/或高电压脉冲，或者，在低温系统中释放出大量热能，导致液体快速挥发甚至发生爆炸。而致冷剂的快速挥发会致使邻近区域出现缺氧状态，因此，可能需要增加通风设备。低温液体是用来冷却超导体使其转变为超导态，当溅射出的致冷剂与皮肤直接接触时，会灼伤皮肤。同样，皮肤与输液管、储液杜瓦容器等设备发生直接接触时，也能导致冻伤。若实验操作不当，液氮储液杜瓦的压力阀出口有可能被冷冻的水或空气堵塞，致使杜瓦容器过压。尽管有一般的安全装置，储液杜瓦仍会损坏。在使用和处理低温液体时必须要遵守安全防范措施。
6测量装置
6.1样品骨架材料
样品骨架应由绝缘材料或非铁磁导电材料制作，非铁磁导电材料可以盖绝缘层，也可以不覆盖绝缘层。
在测试温度下，由于样品骨架和样品热收缩性不同，在样品上产生的张应变不应超过0.2%。附录A推荐了几种适合于制作样品骨架的材料，可选用其中任何一种。注1：对于铜/铜镍/锯钛（Cu/Cu-Ni/Nb-Ti)超导体，应按附录C.2.3的要求进行。在使用无绝缘层的导电材料制作样品骨架时，通过样品骨架的漏电流应小于样品达到临界电流Ie时总电流的0.2%（见附录A.3.1)。注2：对于铜/铜镍/锯钛（Cu/Cu-Ni/Nb-Ti)超导体，应按附录C.2.4的娶求进行。6.2样品骨架结构
样品骨架的直径应大于24mm，并满足弯曲应变的限制（见7.2)。在样品骨架上最好刻有螺旋沟槽，样品应绕在其中。沟槽的螺旋角应小于7°。如果在绕制样品时没有使用螺旋沟槽，也应满足同样的螺旋角要求。这样绕制样品方法可能使样品得不到足够的支撑，并且样品的螺旋角会有较大的变化（见7.2）。样品轴线（电压抽头之间的部位）与磁场的夹角应为（90°士7\）。此夹角测定的合成标准不确定度应不超过1°。
电流引线固定环应牢牢固定在样品骨架上，以避免电流引线固定环与样品架间的过渡区上的样品应力集中。
7样品准备
7.1样品固定
在绕制样品时，应施加张力和/或用低温粘接剂（诸如硅真空脂、Apiezon真空脂或环氧树脂）将样品紧固在样品骨架上，以减小样品移动。采用低温粘接剂固定样品时，粘接剂用量应尽册少。在样品固定好以后，应将样品外表面多余的粘接剂擦去。注1：对于铜/铜镍/锯钛（Cu/Cu-Ni/Nb-Ti)超导体，应按附录C.2.5的要求进行。3
GB/T21546—2008/IEC61788-1:2006应通过检验临界电流测的重复性是否达到应有的要求来判断样品的固定是否合适。不应使用焊料将样品固定在电流引线固定环间的样品骨架上。注2：对于铜/铜镍/钜钛（Cu/Cu-Ni/Nb-Ti)超导体，应按附录C.2.6的要求进行。7.2样品安装
测试的样品不应有接头或折痕。样品的截面积S应使用垂直于导体轴线的横截面来确定，其测量相对合成标准不确定度不应超过2.5%。
样品导线应绕成小的螺旋线圈形状，绕制样品时不应使样品发生额外的扭曲。对于矩形截面导线，样品绕成的线圈应使外加磁场平行于样品的宽面。为了确保样品能牢牢嵌在沟槽中，线圖绕制过程中应施加一定的张力，该张力在导线上产生的张应变应不大于0.1%（见附录D)。
注1：对于铜/铜镍/锯银（cu/CirNi/Nb-Ti)超导体，应按附录C.2.7的要求进行。安装样品时所产步的大弯出应变应不超过3%。应将样品导线的两端用焊料烁接在电流引线固定环上。固定环上样品焊接的最小长度应选40mm、30倍样品直经或的倍样品原度中的最大值。焊在每个电流剪线阅定环上的样品不应超过三函。电流引线固定环与电压抽头之间吸短距离应大于40mm电压抽头应烯在样品上。电压抽头的未扭绞部分应按与样品绕制方向相反的方向布置，以使样品电流回路与样品和感耳抽头所形成的回路区域间的互感为最小如附录A中图A1所示，电压抽头间没秤品的长度L，其测卧相对合成标准不确定度不应超过2.5%电压抽头间距应大于50mm。
为进行试验，应将样品和样品背架安装在由液氨杜瓦、磁体和其支撑结构、以及样品支撑结构组成的实验低温容器中
8测试步骤
在数据采集阶段，样品应没没在液氮中。在测每个I。的前后都应测量液氮槽的温度。除非采用失超保护回路或电阻分流保护样品不受损坏，样品电流不应大到使样品进人正常态。当采用恒定速率升流法来样时电流从零升到Ic的时间应大于10s。当采用升流-恒流-升流法采样时，在设定点之间的升流速率应低于相应在3s内将电流从零升到Ic所对应的速率。
直流磁场的方向应与样品骨架轴线方向保持一致。磁场和磁体电流之间的关系应事先标定。每次确定Ic之前都应测量磁体的电流值。外加磁场应平行于矩形截面样品的宽面和近似垂直于样品的线轴。
电流和外加磁场的方向应使在电压抽头间的整个样品上受到向内的洛伦兹力。注：对于铜/铜镍/锯钛(Cu/Cu-Ni/Nb-Ti)超导体，应按附录C.2.8的要求进行。单方向增加电流，记录被测样品的U-I特性。有效的U-I特性曲线所给出的Ic值在重复性测试条件下，其测量相对不确定度不应大于0.5%，并且当电压等于或低于临界电流判据时，其特性应该是稳定的，不随时间变化。采用升流-恒流-升流法采样时，U-I特性的基线电压应取零电流时所记录的电压，而采用恒定速率升流法采样时，基线电压应取电流在约0.1Ic时所对应的平均电压。4
9测试方法的不确定度
9.1临界电流
GB/T21546—2008/1EC61788-1:2006临界电流值应根据用四引线法测量所得的电压-电流特性确定。电流源提供的直流电流在Ic时，其带宽为10Hz到10MHz的范围内最大周期性和随机偏差应小于2%。
用于确定样品电流值的四引线标准电阻，其相对合成标准不确定度不应超过0.25%。应用记录仪和必需的前置放大器、滤波器或电压表、或它们的组合记录U-I特性曲线。所记录的U-I特性曲线应能使临界电压判据值Uc的测量相对合成标准不确定度不超过5%，相应的电流相对测量合成标准不确定度应不超过0.5%。9.2温度
低温容器应提供测量I所需的环境，样品应浸没在液氮中测量。液氮槽的温度应是接近在测试地点的典型大气压下正常沸点的液氮温度。样品温度可以认为和液体温度相同。液体温度可通过压力传感器或温度传感器测量，其测量合成标准不确定度应不超过0.01K。样品温度与液氮槽温度之差应尽可能小。使用气压法测量温度时，应使用氮的相图。压力的测量不确定度应满足温度测不确定度要求。如果液氨的深度大于1m，需要进行压差校正。9.3磁场
磁体系统所提供的磁场合成标准不确定度应不大于以下两者中最大者，即合成标准相对不确定度0.5%和0.01T。
在电压抽买间的整个样品上，磁场的非均匀性应不超过0.5%和0.02T两将中的最火者。磁场最大的周期性和随机性偏差应不超过土1%和士0.02T两者中的圾大者。9.4样品和样品骨架支撑结构
支撑结构应给样品以合适的支撑作用，并保证样品相对于磁场有正确取向。样品支撑应能保证临界电流测量的重复性满足第8章所叙述的重复性要求。被测样品应是螺旋线圈形状。
9.5样品保护
如使用与样品并联的电阻分流器或失超保护回路，当电流达到Ie时，通过保护回路或分流器的电流应小于总电流的0.2%。
10结果计算
10.1临界电流判据
临界电流Ic应由电场强度判据Ec或者电阻率判据Pc确定，电阻率可用复合超导体总截而估筑（见图1和图2)。
采用电场强度判据时，Ic两个值应分别由10μV/m和100μV/m判据确定。当采用电阻率判据时，Ic两个值应由10-142·m和10-13·m判据确定。当用100μV/m判据难以测出合适的临界电流Ic值时，应改用小于100μV/m的Ec判据，或采用电阻率判据来测量。
Ic应由U-I曲线上Uc值所对应的电流值确定，Uc是相对基线电压测得的电压（见图1和图2)。U=LE。
式中：
Uc-—-电压判据，单位为微伏(μV)；..........(l)
GB/T21546-—2008/IEC61788-1:2006L-·电压抽头间距离，单位为米（m)；Ec--电场强度判据，单位为微伏/米（μV/m)。或，当采用电阻率判据：
Uc=IcpcL/S
式中：
P--电阻率判据值;
Uc...直线Uc=IcPcL/S和U-I曲线的相交点所对应的电压，如图1所示，单位为伏（V)；Ic\-直线Uc=IcPcL/S和U-I曲线的相交点所对应的电流，如图1所示，单位为安（A)；S--样品的总截而积，单位为平方米m）。（2）
在基线电压和约0.7Ic对应的平均电压两点间画一条直线（见图2)。这条直线可能由于存在电流转移而呈现一定的倾斜，但其斜率应小于0.3Uc/Ic，这样确定出的Ic才能视为有效，其中Uc和Ic的值是由10μV/m或10-M2·m判据确定。10.2n值（选择性计算，见附录A.7.2）n值应通过确定Ic值的区域内的logU对logI曲线的斜率来计算，或者用10.1中所述的两个不同判据所得出的两个Ic值来计算。用于确定n值的判据范围应写人报告。11测试报告
11.1被测样品说明
如有可能，应给出被测样品的如下信息：1）样品的生产厂家；
类别和/或标号；
3）批号；
4）原材料及其化学成分；
导线截面的形状和面积、芯丝数、芯丝径、扭距和铜-超比。5）
11.2Ic值报告
应将Ic值及相应的判据写人报告。11.3测试条件报告
以下的测试条件应写入报告：
背景磁场及其均匀性；
测试温度；
被测样品线圈的匝数；
线圈绕制技术；
电压插头间的长度和样品的总长；电流引线固定环与电压抽头间的最短距离：电流引线固定环间的最短距离；固定环上的焊接长度；
样品粘接方法，包括低温粘接剂品种；样品骨架材料；
样品骨架直径；
沟槽的深度、形状、螺距和螺旋角。电压
（任意单位）
U-iPeL/s
注：图示是采用电场强度和电阻率判据方法确定临界电流。图1本征的U-I特性
(任意单位）
U-PeL/s
电流转移线
GB/T21546—2008/IEC61788-1:2006UeLEe
Uc:lePeL/S
电流（任查单位）
UelePeL/S
电流（任廠单位）
注：图示是在低电流区域呈现线性电流转移分卧的U-I特性曲线上采用电场强度和电阻率判据力方法来确定临界电流。
图2具有电流转移分量的U-I特性7
GB/T21546—2008/IEC61788-1:2006附录A
（资料性附录）
本标准正文的相关附加说明
A.1范围此内容来自标准下载网
循要注意的是，有许多变量对临界电流的测量值有重大影响。本附录将列出其中一些变量。本标准中所陈述的测量方法并不适用于铜-超比（即Cu/Nb-Ti体积比）小于1的导线，因为在低磁场下，此类导线所观察到电压-电流(U-I)特性可能不稳定。本标准提出的种种限制是为了保证对长导体做最终质量评估时能达到测量所必需的不确定度要求。
本标准要求测试样品应浸泡到液氮中进行测量，液氮应接近在测试地点正常大气压下的沸点状态。本标准不适用非正常沸点温度的液氮条件下的测试，也不适用于在气氮或真空条件下的测试。A.2要求
本方法确定的直流临界电流是指在给定的温度和磁场下超导体所可以认为无阻承载的最大直流电流。
一股来说，在温度接近4.2K时，背景磁场的上限是8T（上临界磁场的0.7倍）。样品最小总长度是210mm，包括以下几部分：。在电流引线固定环上的焊接长度（2×40mm）●电流和电压接头的小间距（2×40mm）；●电压抽头问圾小间隔（50mm）。在日常测试中，当要完全遵守标准正文中的规定难以实现，可以把该规定作为一般指导原则，但相应的测量不确定度可能会增大。对于日常测试，可以放宽标准正文中的规定范围，但是对于正规比对或性能认证测试，需兼顾到应用方便性以及最终的目标不确定度。若样品的横截面尺寸比样品长度小，常测试也可用短而直的样品进行测量。然而，为简单起见，本标准不涉及这种样品几何形状。对于采用无感绕组（双股线无感绕制）并用环氧粘接剂固定的样品进行测试时，其测量不确定度可认为是接近本标准的目标不确定度。为了简单起见，本标准不涉及这种样品几何形状。对于双股线形状的样品，样品长度上一段的洛伦兹力会使样品脱离样品骨架。在这种情况下，硅真空油脂或绕制时的张力不足以保持样品不发生移动。在日常测试时，虽然可以将样品用焊料焊接方法固定在非铁磁不锈钢样品骨架上。但这会使样品骨架电流分流值的大小难以估算，特别是在使用超导焊料和低磁场下测试时，骨架分流问题更严重。当要研究矩形横截面样品在各种磁场方向的临界电流时，有两种选择：通过在有径向通道的磁体中测量直形样品，可进行各种磁场角度下临界电流的测量；在螺线管磁体中测量发夹状样品（U形样品）和线圈样品就可得到两个磁场夹角（0°和90）下的临界电流。本标准既不包含直样品，也不包含发夹状样品。
本标准的测量目标不确定度是由实验室间比对测试结果来确定。许多变量都会对临界电流的测量不确定度产生影响，本标准采用了以往实验室间比对测试结果以定出这些变量的许可变化范围。对于实验室间比对，目标相对不确定度是小于3%的变化系数(标准偏差除以临界电流测量平均值)表示。变化系数可为大量测定结果表征期望分布特性。然而，如果存在比较明显的系统误差，两个实验室间的测量结果差别可能大到此变化系数的2倍或2倍以上。8
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