高温超导带材临界电流不均匀性及其对失超传播特性的影响研究

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作者：

朱运鹏

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摘要：

相比传统低温超导材料,高温超导带材在高磁场下具有较大的电输运能力,因此成为了制作25T以上高磁场磁体的重要材料,但是其电输运特性容易受到机械应变的影响而发生性能退化,并可能引发局部过热失超.为预防超导设备中的局部热点产生,对高温超导带材的临界电流不均匀性研究已经成为目前国际应用超导界所关心的重要问题之一.目前在机械应变条件下高温超导带材临界电流不均匀性的研究中,大多数是以四引线法作为临界电流的测量手段,但由于四引线法较低的分辨率,带材中的缺陷容易被平均化,从而造成局部热点仿真中过于乐观的计算结果.本学位论文基于分辨率较高的磁测法,通过对YBCO高温超导带材在机械弯曲应变,原位轴向张力下临界电流不均匀性的研究,结合YBCO高温超导带材的热电耦合特性展开建模和仿真,以期对YBCO高温超导带材局部热点产生和失超传播特性提供合理预测. 本文研制了一台基于霍尔元件的磁测法设备,以研究高温超导带材在机械应力应变条件下的临界电流不均匀性.该设备通过扫描超导带材表面的剩余磁场或屏蔽磁场,结合逆运算算法,得到临界电流在超导带材内部的分布情况,同时能够在原位条件下为高温超导带材施加应变.空间分辨率为0.4mm,测量速度为10mm/s.在测量稳定性方面,提出一种计算偏移量的方法有效消除了因机械扰动带来的测量误差.基于磁测法测量了常用高温超导线/带材如YBCO带材,Bi2223带材和Bi2212线/带材的临界电流不均匀性分布,并验证了设备的重复性和可靠性.提出了通过横向差异系数表征高温超导带材临界电流的横向不均匀性,并用于高温超导带材中人工缺陷的识别.将有限元法引入到磁测法对高温超导带材临界电流的反算中,有效减少了因铁磁性基底造成的测量误差. 本文分析了YBCO高温超导带材在带有扭矩时的弯曲应变计算方式,只有当等效弯曲半径超过带材的最小弯曲半径后,超导体的临界电流出现退化.基于磁测法测量了YBCO高温超导带材在0～0.7%的弯曲应变和0～250N原位轴向张力条件下的临界电流分布.结果显示YBCO高温超导带材的临界电流均匀性随着弯曲应变的增大而减小,当弯曲应变大于0.6%时,超导层中出现裂纹.超导层的结构改变是临界电流退化的主要原因.在YBCO高温超导带材临界电流不均匀性的原位轴向张力测试中,当轴向张力超过221N后,带材局部进入塑性变形阶段,超导层出现明显裂纹,导致带材临界电流不均匀性增加,采用预加压缩应变的方法能够减少因轴向张力造成的缺陷.通过磁测法数据建立了YBCO高温超导带材在机械应力应变下临界电流的三参数威布尔分布模型,并使用蒙特卡洛方法有效模拟了带材的整体临界电流. 本文将不同机械应力应变条件下的YBCO高温超导带材临界电流分布,引入到YBCO高温超导带材热电耦合模型中,对带材的热点温度,正常区传播速度和最小失超能等参数进行了研究.结果显示随着YBCO高温超导带材临界电流不均匀性的增加,在临界电流衰减的区域容易产生热点,当弯曲应变超过0.6%或者轴向张力超过221N时,热点温度达到失超点所需的时间迅速减小.这种情况下在超导磁体的耗能失超保护中,需要更小的衰减时间常数以保证热点温度始终在安全范围内.带材缺陷处的热点温度不仅由缺陷处的临界电流决定,与缺陷处的长度也有关,同时在缺陷处正常区传播速度有略微升高,最小失超能显著降低.在相同的传输电流强度下,临界电流不均匀性较大的带材更容易受到小的热扰动而发生失超.利用本文中的威布尔模型,结合蒙特卡洛方法能够有效模拟YBCO高温超导带材的热点发展规律和失超传播速度.本文中的结果为高温超导带材的缺陷识别规则制定,高温超导磁体的失超保护和稳定性设计提供了参考.

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关键词：

高温超导带材 临界电流不均匀性 磁测法 机械弯曲应变 轴向张力 热电耦合特性 失超状态 电输运特性

学位级别：

博士

学位年度：

2016