【摘 要】
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强磁场为前沿科学研究、动力与能源工程、医疗与水处理等领域提供了现实条件。现有高场磁体的磁场强度已经逼近常导和低温超导材料的极限,发展高温超导内插磁体技术成为进一步提高磁场强度的趋势和关键。然而,高温超导内插磁体制备工艺复杂,成本昂贵,因此研制成本低廉的小型磁通汇聚装置具有重要的科学价值。高温超导磁通透镜是一种利用感应屏蔽电流,约束空间磁场,从而提高磁通密度的新型无源内插磁体,具有低成本、无损耗、运
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强磁场为前沿科学研究、动力与能源工程、医疗与水处理等领域提供了现实条件。现有高场磁体的磁场强度已经逼近常导和低温超导材料的极限,发展高温超导内插磁体技术成为进一步提高磁场强度的趋势和关键。然而,高温超导内插磁体制备工艺复杂,成本昂贵,因此研制成本低廉的小型磁通汇聚装置具有重要的科学价值。高温超导磁通透镜是一种利用感应屏蔽电流,约束空间磁场,从而提高磁通密度的新型无源内插磁体,具有低成本、无损耗、运行安全、使用灵活等优势,对于空间尺度要求不高的磁场应用具有重要意义。论文基于有限元方法,结合超导体的特性,对高温超导磁通透镜进行了数值模拟与磁通汇聚特性研究。针对磁通透镜的工作环境、励磁方式、几何结构等方面进行了优化。主要研究结果如下:（1）结合麦克斯韦方程和超导的非线性E-J关系建立了超导磁通透镜的基本数值模型,基于该模型研究了Gd Ba2Cu3O7-δ（Gd BCO）矩形超导磁通透镜的汇聚效果和最佳工作条件。结果指出矩形磁通透镜存在最佳几何宽高比和饱和磁场增量,当温度为30 K,背景磁场为11.0 T时,在间隙距离为2 mm的磁通透镜中获得了17.2 T的中心磁场,局域场提高了56%。（2）构建了三维空心圆柱状Gd BCO超导磁通透镜模型,研究了其不同励磁方式下的磁通汇聚特性,计算结果很好地再现了已报道的实验结果。由于高温超导块材机械性能差,磁通不稳定,在实验过程中容易发生碎裂和磁通跳跃,论文还对碎裂多瓣磁通透镜进行了计算,发现碎裂模型依旧存在较好的磁通汇聚效果。在温度为4.2 K,背景磁场为5.0 T下,中心场仍达9.9 T,比无碎裂情形的11.0T仅下降1.1 T。（3）提出了使用临界电流密度更高的堆叠YBa2Cu3O7-X（YBCO）超导带材（2G-HTS）替代高温超导块材制作磁通透镜的可行方案,构建并研究了矩形和X形堆叠超导带材磁通透镜。结果表明X形磁通透镜汇聚效果明显优于矩形,在背景场Ba=5 T和温度T=4.2 K条件下,矩形和X型高温超导堆叠带材磁通透镜的中心磁场Bc分别达到6.7 T和11.0 T,当Ba=20 T时,矩形和X形透镜的中心磁场分别为21.2 T和24.1 T。
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