GBT 21227-2021 交流损耗测量 多丝复合超导材料磁滞损耗的磁强计测量法.pdf
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1、ICS 17.220.20 ;29.050 CCS H 21 中华人民共和国国家标准GB/T 21227-2021/IEC 61788-13: 20 12 代替G/T21227-2007 交流损耗测量多丝复合超导材料磁滞损耗的磁强计测量法AC loss measurements-Magnetometer methods for hysteresis loss in superconducting multifilamentary composites (IEC 61788-13: 20 12, Superconductivity-Part 13: AC loss measurements-Ma
2、gnetometer methods for hysteresis loss in superconducting 2021-05-21发布multifilamentary composites, IDT) 国家市场监督管理总局Lg.-/;-国家标准化管理委员会保叩2021-12-01实施G/T 21227-2021/IEC 61788-13 :2012 目次前言IE1113333344444445677779川口日量的体导超uu性般uu拘加卜韦户主亘石zd川.i,. 和.卜L.UU广考度应式M况冲推度定效方u情E法定.确磁瑞理i川口本吼方确度不仨退t烹制剁啤uS本不定的和.和积或法量口阳量拍
3、节文确场的度向体到方测样明.、1如串串刊以阳Mmj张明北咱量MMM告则叫刘栩料范料口口士勺,测JSSS资规资卜性手.目外V温样样1磁总VVV报总有技(我围配语求川/圳ABC文范规术要13345673viJJA测士一口44444444555566录录录考引123456附附附参G/ T 21227-2021/IEC 61788-13:2012 目。吕本文件按照GB/T1. 1-2020标准化工作导则第1部分:标准化文件的结构和起草规则的规定起草。本文件代替GB/T21227-2007交流损耗测量Cu/Nb-Ti多丝复合线磁滞损耗的磁强计测量法),与GB/T21227-2007相比,除结构调整和编辑
4、性改动外,主要技术变化如下:修改了统计学术语,用不确定度(u日certainty)代替了准确度(accuracy) (见第4章、6.3,2007年版的第4章、6.2); 一一增加了将本测量方法推广到一般超导体和4.2K之外的测量温度(见附录B); 增加了不确定度考虑(见附录。本文件使用翻译法等同采用IEC61788-13 : 2012超导电性第13部分:交流损耗测量多丝复合超导材料磁滞损耗的磁强计测量法。与本文件中规范性引用的国际文件有一致性对应关系的我国文件如下:GB/ T 2900.100-2017 电工术语超导电性CIEC60050-815 : 2015 , IDT); 一-GB/T22
5、587-2017 基体与超导体体积比测量铜-锯铁(Cu/Nb-Ti)复合超导线铜-超体积比的测量CIEC617885-5: 2013 , IDT)。本文件做了下列编辑性修改:一一为与现有的标准系列一致,将文件名称修改为交流损耗测量多丝复合超导材料磁滞损耗的磁强计测量法); C.5中的内容归入参考文献并重新编号,其在文中的引用也依据新编号做了相应调整。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国科学院提出。本文件由全国超导标准化技术委员会(SAC/TC265)归口。本文件起草单位:中国科学院物理研究所、华北电力大学、清华大学、西北有色金属研究院、中国电力
6、科学研究院有限公司、中国科学院等离子体物理研究所、中国科学院电工研究所、中国测试技术研究院。本文件主要起草人:李洁、王银顺、顾晨、郑东宁、李成山、丘明、刘华军、程军胜、郭乃理。本文件及其所代替文件的历次版本发布情况为:一-2007年首次发布为GB/T21227-2007; 本次为第一次修订。I G/ T 21227-2021/IEC 61788-13 :2012 引在开展横向磁场中(最常见的情形)交流损耗各部分贡献的测量方法标准化工作伊始,国际电工委员会超导技术委员会CIEC/TC90)提出用磁强计法和探测线圈法测量铜锯铁(Cu/Nb-Ti)复合超导线在随时间变化的横向磁场中的交流损耗。经讨论
7、,决定将上述提议拆分为两个文件,分别涵盖两种标准方法。其中之一用于描述磁滞损耗和在低频磁场(或低扫场速率)下总交流损耗的磁强计测量法;另一个用于描述在较高频磁场(或较高扫场速率)下总交流损耗的探测线圈测量 法。磁强计法测量频率范围为oHz0.06 Hz,探测线圈法为0.005 Hz60 Hz。重叠部分(0.005Hz0.06 Hz)是两种方法都可用的频率范围。本文件所涉及的是磁强计测量法。H G/T 21227-2021/IEC 61788-13:2012 交流损耗测量多丝复合超导材料磁滞损耗的磁强计测量法1 范围本文件描述了运用直流或低扫场速率磁强计方法测量Cu/Nb-Ti多丝复合材料磁滞损
8、耗的相关事宜。本文件规定了Cu/Nb-Ti多丝复合导体中磁滞损耗的一种测量方法。测量在温度为4.2K或接近于4.2K的圆形截面超导线上进行。直流或低扫场速率磁强计法使用的是超导量子干涉器件(SQUID)磁强计(见附录A)或振动样品磁强计(VSM)。如果测量中发现用不同的(但均校准过的)磁强计所得的结果存在差异,则以外推至零扫场速率下的VSM测量结果为准。将本测量方法推广到一般超导体的规范详见附录B。2 规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中,注日期的引用文件,仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文
9、件。IEC 60050 (所有部分)国际电工术语(Internationalelectrotechnical vocabulary) (见 ) IEC 61788-5 超导电性第5部分:基体与超导体体积比测量铜-锯铁(Cu/Nb-Ti)复合超导线铜超体积比的测量(Superconductivity-Part 5: Matrix to superconductor volume ratio measurement-Copper to superconductor volume ratio of Cu/Nb-Ti composite superconductors) 3 术语和定义3.1 3.2
10、IEC 60050-815界定的以及下列术语和定义适用于本文件。交流损耗AC loss p 因随时间变化的磁场或电流,复合超导体中损耗的功率。注:每个磁场(变化)周期内的交流损耗标示为Q。虽然一般来说,所有这种损耗都不可避免地具有磁滞性,但复合超导材料中的交流损耗通常可分为磁滞损耗、涡流损耗以及搞合损耗(见IEC60050-815 : 2015的815-13-52中注1和注2),分别定义如下。来源:IEC 60050-815: 2015, 815-13-52,有修改磁滞损耗hysteresis loss Ph 超导体在变化磁场中出现的一种损耗,其值与交变磁场的频率成正比。洼1:磁滞损耗由磁通钉
11、扎导致超导材料的不可逆磁性所引起。注2:磁滞损耗仅发生于Cu/Nb-Ti复合材料的超导区,因此即使在没有基体材料的情况下也会存在磁滞损耗。每G/T 21227-2021/IEC 61788-13 :2012 3.3 3.4 3.5 个磁场(变化)周期内的磁滞损耗标示为Qh它与磁化强度-磁场CM-H)磁滞回线面积密切关联;相关的M有时被称为持续电流磁化强度。来源:IEC 60050-815 : 20日,815-13-53,有修改涡流损耗eddy current loss P e 在变化的外磁场或自场中,超导体的常导基体或结构材料中感应的涡流所产生的损耗。注:每个磁场(变化)周期内的涡流损耗标示为
12、Qe0 来源:IEC 60050-815 : 2015, 815-13-54,有修改搞合电流损耗coupling current loss p 有常导基体的多丝超导线中,搞合电流产生的损耗。注:每个磁场(变化)周期内的调合电流损耗标示为Qc。来源:IEC 60050-815 : 2015, 815-13-57,有修改邻近效应藕合损耗proximity effect coupling loss P pe 由于邻近效应而使复合超导体中超导丝之间的基体材料呈现超导时,超导电流沿超导丝流动并穿过基体材料形成环流而导致的损耗。3.6 3.7 3.8 3.9 2 注:在这种情形下,邻近效应电流与榈合电流竞
13、争相同的路径。由于邻近效应,整个电流路径皇超导电性,Ppe表 现为一种持续电流效应。邻近效应的存在会使Ph增大。当Cu/Nb-Ti复合材料的丝间距减少至1m以下时,就会产生邻近效应。每个磁场(变化)周期内邻近效应隅合损耗标示为Qpe。退磁demagnetization 超导样品的磁化使超导体感受到的外加磁场降低的现象。注:退磁不仅与磁化强度有关,还依赖于样品几何尺寸和外加磁场取向。在4.2K和强磁场下,Cu/Nb-Ti多丝复合材料的退磁现象通常可以忽略。磁通蠕动flux creep 热激活引起的磁通涡旋从一个钉扎中心到另 一个钉扎中心的运动。注:磁通蠕动是指在外磁场和样品温度恒定时超导体的持续
14、电流磁化强度随时间对数衰减的现象。磁通蠕动显著时磁滞损耗与频率明显相关。除非存在邻近效应搞合,否则Cu/Nb-Ti复合材料中的磁通蠕动可以忽略。来源:IEC 60050-815 : 20日,815-12-20,有修改磁通跳跃flux jump 由机械、热、磁或电扰动导致的、脱离钉扎的磁通涡旋的雪崩和协同运动。注:磁通跳跃以超导体磁化强度骤然降低的形式表现出来。来源:IEC 60050-815 : 20日,815-12-22,有修改超导丝体积filamentary volume 给定样品中超导丝的总体积。G/T 21227-2021/IEC 61788-13:2012 3.10 3. 11 3.
15、12 复合材料体积composite volume 包含超导和基体材料的样品总体积。扫描幅值sweep amplitude H max 外加磁场的最大值。磁滞回线magnetization loop 当外磁场从十 Hmax开始到-H max再回到十日max变化一周时,样品磁化强度随外磁场强度相应变化而得到的闭合曲线。注:磁滞回线面积(Q)是每个磁场(变化)周期内的能量损耗。与上述的功率损耗类比,可认为Q包含了Qh 、Qe、Qc及Qp各分量。4 要求4.1 目标不确定度本测试方法的目标不确定度定义为变化系数(COV,标准偏差除以磁滞损耗测定的平均值)0COV 不应超过5%。影响测量不确定度的重要
16、变量和因素说明如下。对不确定度介绍的信息见附录C。4.2 外加磁场的不确定度和均匀性外加磁场系统应能提供相对标准不确定度不超过0.5%的磁场。外加磁场在测试样品有效体积内的不均匀性应小于0.1%。4.3 VSM的校准校准VSM是为了确保样品磁矩测量的相对标准不确定度不超过1%。校准应在所有低温恒温器和其他金属部件就位的情况下进行(如同实际测量)。应使用金属镇(Ni)小球对磁强计进行校准,而镇小球的校准可以溯源到美国国家标准技术研究所(NIST, USA)的标准物质772a,这是一 个直径为2.383mm的镇球,由高纯镇丝制成。在298K和398 kA/m(,uo H =0.5 T)的磁场H下,
17、镇球磁矩的认证值为m= (3.47:1:0.0UmA m2。利用此球进行校准时,磁矩随温度和磁场的变化由式(1)修正:m=3.47 1十0.00261n(H/398)1- 0.000 47(T-298)(mA. m2)( 1 ) 式中:H一一磁场,单位为千安每米(kA/m)(lkA/ m= 12.56 Oe); T 温度,单位为开尔文(K)。为方便起见,宜在400kA/m左右的磁场下进行校准。4.4 温度测量应在液氮正常沸点4.2K或其附近温度下进行。实际温度应在报告中指出,其合成标准不确定度不超过0.05K。如测量是在其他温度下进行,温度测量的相对标准不确定度不应超过1.2%,与4.2K时的
18、合成标准不确定度相对应。3 GB/T 21227-2021/IEC 61788-13 :2012 4.5 样晶长度磁化强度的若干分量是样品长度L的函数。在测量中,这种长度依赖关系引起的效应需要予以消除或控制在可允许范围之内:a) 在较短的样品中,臼界电流密度在纵向和横向方向的各向异性会引起可测出的末端效应因而Qh会与样品长度有关。为避免这种影响,应制备超导组分(丝)的长度/直径比大于20的样品;b) 只有当丝间距ds小于1m时,Cu/Nb-Ti多丝复合材料中才会产生邻近效应。在此情形下,邻近效应对磁化强度的贡献与样品长度L和扭距Lp有关。在报告结果时,需要按照以下方式将这些长度考虑在内: ds
19、约1m且超导丝无扭转时,Qh应被当作L的函数进行测量并将结果外推至L为零时; ds5Lp条件下测量Qh。4.6 样品取向和退磁效应损耗测量应在横向磁场下,在股线样品上进行。当磁场完全穿透Cu/Nb-Ti多丝股线中的超导细丝时,退磁效应可以忽略。同样,所测股线束的截面形状(如圆形、扁平形及方形等)对损耗测量的影响也可以忽略。然而,为了结果报告的完整性,应将样品截面形状写人报告中。4.7 归一化体积有时需要根据超导材料体积来评估磁滞损耗。为此,有必要按照IEC61788-5描述的标准步骤来确定基体(铜)超导体体积比。在本文件中,这些确定铜超体积比的步骤可不必考虑,交流损耗以复合材料总体积给出。体积
20、测量的相对合成标准不确定度不宜超过0.5%。4.8 磁场循环或扫描方式在整个测量过程中外加磁场可以逐点变化,起始并终止于Hmax 。当使用SQUID磁强计时,仅限于这种磁场变化模式。而VSM既可以采用逐点变化模式,也可以采用半连续扫场模式进行测量。采用VSM半连续扫场模式时,磁滞回线CM-H)由约200个数据对构成。5 VSM测量方法5.1 总则对于应用VSM技术进行测量的完整描述,参见参考文献 61)。5.2 VSM测量原理VSM基本原理如下8J待测样品置于均匀磁场中,磁场使样品磁化。样品在一套探测线圈中做机械振动。磁矩的振动引起探测线圈中的磁场振动,从而在探测线圈中感应出交流电压。交流电压
21、由电子线路检测并转换成磁矩值。测量中磁强计是相对测量装置,而非绝对测量装置,因而其输出信号需要对照标样进行校准。虽然也存在自制的VSM,但测量中已越来越多地使用商用仪器。一般而言,它们都拥有如下共性:待测样品固定于纵向(竖直方向)振动的竖直杆上,振动幅度约1mm,振动频率选取一较低的适当值。1) 方括号内的数字表示本文件末尾的参考文献编号。4 G/T 21227-2021/IEC 61788-13:2012 磁场既可由水平放置、具有铁芯的电磁体提供,也可由竖直放置的超导螺线管磁体提供。按习惯,这两种情况下样品的振动方向分别垂直或平行于磁场方向。探测线圈以适当形式成对放置并连接,以消除任何外部磁
22、场振荡(磁噪声)的影响,从而仅探测由样品振动所产生的磁场振荡。典型的VSM测量实验装置由图1给出。损耗值由完整的M-H磁滞回线的数值积分面积确定。振动单元CPU 探测线圈样品磁强计低温恒温器图1VSM测量的典型实验装置样品置于探测线圈空间的最佳区域Csweet spot)。在此区域内,样品沿竖直或水平方向发生位置改变时,探测到的信号仅发生微小变化。利用一个小的校准样品,例如Ni,在探测线圈空间内移动,可以确定该最佳区域的体积。在此体积范围内信号变化不超过2%。假设Z是竖直方向,Y是沿磁极轴线方向,X是与磁极轴线垂直方向,则该最佳区域的中心点的定位采用一种鞍点Csaddling)法。也就是,寻找
23、沿Z方向和X方向信号最大、而沿Y方向信号最小的点。5.3 VSM样晶制备受探测线圈中最佳区域尺寸的限制,典型VSM样品体积小于30mm3。就Cu/Nb-Ti多丝复合线的VSM测量而言,允许采用如下三种可选样品形式(见图2)之一:a) 短直型样品:此类样品由一根或多根长度不超过1cm的股线组成(股线的尺寸根据信号强度要求而定)。仔细打磨平整每根股线的末端(参见参考文献6J中的实例)。b) 多臣线圈:如需测量长细线样品,则可将其绕成多臣线圈来进行测量(参见参考文献13J中的实例)。利用电磁体型VSM进行测量时,线圈为椭圆形且固定时保持长轴竖直向上(即平行于振动轴),线圈平面垂直于磁场方向。利用超导
24、螺线管磁体型VSM进行测量时,多匣线圈为圆形,线圈平面垂直于振动轴。为使股线问祸合的可能性降至最低,短直型样品或多匣线圈用清漆或注胶方法进行股线间绝缘,或以其他方式进行电绝缘。c) 螺旋型线圈:介于短直型样品和多匣线圈间的样品形状是螺旋型线圈。按参考文献10J中的建议,线圈由单根股线沿螺纹沟槽绕制而成。螺旋轴与磁场保持平行,螺旋角小于8。时,仍可视为磁场横向加在样品上。采用螺旋型线圈形式,可以测量相对较长且粗细适宜的股线。5 G/T 21227-2021/IEC 61788-13 :2012 、-a) 短直型样品b) 多匣线圈c) 螺旋型线圄图2VSM测量的三种可选样晶形式5.4 VSM测量条
25、件及校准5.4.1 磁场幅值应明确给出据实际需要确定的测量磁场幅值(应符合第6章的规定)。5.4.2 外加磁场方向磁场应横向施加在股线轴上。因此,外加磁场将垂直于短直型样品的轴线,垂直于多臣线圈平面,或平行于螺旋型线圈轴线。5.4.3 外加磁场变化率(扫描速率)5.4.3.1 稠合效应外加磁场的扫描速率宜足够低,以使得搞合损耗P对交流损耗的贡献可忽略不计。但是在极低的扫描速率下(含逐点测定情形),强相合效应以涡流衰减(指数蠕变)的形式重新表现出来时,这种效应需要加以考虑。如在典型VSM扫描速率测量过程中遇到可探测的搞合,应外推至dH/dt为零时确定Qh。已经证明,测得的Q值随dH/dt线性变化
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