高溫超導(dǎo)體及線圈穩(wěn)定性的研究.pdf

1、高溫超導(dǎo)體及線圈的穩(wěn)定性是超導(dǎo)磁體設(shè)計和運行中的一個關(guān)鍵問題。只有充分了解高溫超導(dǎo)體的失超行為，才能從根本上提高和改善高溫超導(dǎo)體的穩(wěn)定性，才能采取適當(dāng)?shù)拇朋w保護措施，避免因超導(dǎo)體局部失超而造成整個磁體的破壞，從而正確設(shè)計適合于磁體穩(wěn)定運行的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和磁體結(jié)構(gòu)。 本文主要對高溫超導(dǎo)體Bi2223/Ag多芯帶材及線圈的穩(wěn)定性做了較為詳盡的理論分析、實驗研究以及計算機模擬仿真計算，為下一步超導(dǎo)材料的制備和超導(dǎo)磁體設(shè)計以及失超保護的研究

2、提供重要的基本依據(jù)。 首先從理論上詳細分析了高溫超導(dǎo)體與低溫超導(dǎo)體失超行為的本質(zhì)區(qū)別。分析表明，超導(dǎo)材料的結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)以及超導(dǎo)特性對它的穩(wěn)定性有很大的影響。高溫超導(dǎo)體的工作溫度及分流區(qū)域的溫度范圍要比低溫超導(dǎo)體大一個量級，并且它的熱容量比較大。因此高溫超導(dǎo)體的穩(wěn)定性要好于低溫超導(dǎo)體。 盡管國外有過一些關(guān)于高溫超導(dǎo)體失超傳播特性的報道，但大多都是采用液氦(4.2K)或GM制冷機制冷系統(tǒng)(10K～40K)，而失超傳播性能與

3、超導(dǎo)材料、冷卻條件密切相關(guān)。本文對國產(chǎn)的Bi2223/Ag高溫超導(dǎo)多芯帶材在77K氮氣冷卻條件下的穩(wěn)定性參數(shù)——最小觸發(fā)能量和正常區(qū)域傳播速度進行了實驗研究。建立了一套高溫超導(dǎo)體穩(wěn)定性的測試裝置；測量了失超過程中的電壓變化曲線和溫度變化曲線；得到了不同工作電流下的最小觸發(fā)能量和正常區(qū)域傳播速度：研究了觸發(fā)區(qū)域、工作電流對最小觸發(fā)能量的影響以及觸發(fā)能量、傳輸電流、背景磁場對失超傳播速度的影響。結(jié)果表明，高溫超導(dǎo)體的最小觸發(fā)能量比低溫超導(dǎo)體

4、最小觸發(fā)能量大兩到三個量級(為焦耳量級)，而失超傳播速度比低溫超導(dǎo)體的失超傳播速度慢兩到三個量級(為厘米/秒量級)。根據(jù)失超傳播速度與傳輸電流的關(guān)系曲線，得到了最小傳播電流。 從定性和定量兩個方面分析了低溫超導(dǎo)體與高溫超導(dǎo)體在失超期間產(chǎn)生焦耳熱的不同。焦耳熱是影響失超傳播的重要因素，其大小取決于電阻率ρ(T)的函數(shù)關(guān)系。本文提出了兩種測量電阻率的方法，并得到Bi2223/Ag超導(dǎo)帶材的電阻率與溫度的非線性特性曲線，這對研究高溫超

5、導(dǎo)體的失超傳播過程以及有限元分析都有重要的實際意義。 研究高溫超導(dǎo)體穩(wěn)定性的另一個重要的方法就是有限元數(shù)值分析法。本文通過建立合適的熱分析模型，用COSMOS有限元軟件對Bi2223/Ag高溫超導(dǎo)多芯帶材的失超傳播過程進行了模擬仿真計算，得到超導(dǎo)體在不同傳輸電流、不同工作溫度、不同觸發(fā)能量下的失超傳播特性曲線。失超傳播性能的有限元分析結(jié)果與實驗結(jié)果規(guī)律一致，但數(shù)值上稍有一些偏差，文中對其原因也進行了簡要的分析。另外，一項很有意義

6、的研究成果就是經(jīng)過多次模擬計算得到了高溫超導(dǎo)體在不同工作溫度下的最小傳播電流，這一點對超導(dǎo)體的穩(wěn)定性研究有至關(guān)重要的參考價值。 電源故障時會有大電流沖擊整個超導(dǎo)磁體線圈，本文對高溫超導(dǎo)磁體密繞線圈在大電流脈沖時的穩(wěn)定性用有限元方法進行了研究。探索出了一套過載電流沖擊下線圈穩(wěn)定性的研究方法，提出了一種判斷高溫超導(dǎo)體及線圈穩(wěn)定性的判據(jù)。通過有限元分析得到不同工作溫度(20K，30K，77K)下線圈在五倍過電流脈沖時對應(yīng)的允許持續(xù)時間