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高温超导体及线圈的稳定性是超导磁体设计和运行中的一个关键问题。只有充分了解高温超导体的失超行为,才能从根本上提高和改善高温超导体的稳定性,才能采取适当的磁体保护措施,避免因超导体局部失超而造成整个磁体的破坏,从而正确设计适合于磁体稳定运行的导体结构和磁体结构。
本文主要对高温超导体Bi2223/Ag多芯带材及线圈的稳定性做了较为详尽的理论分析、实验研究以及计算机模拟仿真计算,为下一步超导材料的制备和超导磁体设计以及失超保护的研究提供重要的基本依据。
首先从理论上详细分析了高温超导体与低温超导体失超行为的本质区别。分析表明,超导材料的结构、性能参数以及超导特性对它的稳定性有很大的影响。高温超导体的工作温度及分流区域的温度范围要比低温超导体大一个量级,并且它的热容量比较大。因此高温超导体的稳定性要好于低温超导体。
尽管国外有过一些关于高温超导体失超传播特性的报道,但大多都是采用液氦(4.2K)或GM制冷机制冷系统(10K~40K),而失超传播性能与超导材料、冷却条件密切相关。本文对国产的Bi2223/Ag高温超导多芯带材在77K氮气冷却条件下的稳定性参数——最小触发能量和正常区域传播速度进行了实验研究。建立了一套高温超导体稳定性的测试装置;测量了失超过程中的电压变化曲线和温度变化曲线;得到了不同工作电流下的最小触发能量和正常区域传播速度:研究了触发区域、工作电流对最小触发能量的影响以及触发能量、传输电流、背景磁场对失超传播速度的影响。结果表明,高温超导体的最小触发能量比低温超导体最小触发能量大两到三个量级(为焦耳量级),而失超传播速度比低温超导体的失超传播速度慢两到三个量级(为厘米/秒量级)。根据失超传播速度与传输电流的关系曲线,得到了最小传播电流。
从定性和定量两个方面分析了低温超导体与高温超导体在失超期间产生焦耳热的不同。焦耳热是影响失超传播的重要因素,其大小取决于电阻率ρ(T)的函数关系。本文提出了两种测量电阻率的方法,并得到Bi2223/Ag超导带材的电阻率与温度的非线性特性曲线,这对研究高温超导体的失超传播过程以及有限元分析都有重要的实际意义。
研究高温超导体稳定性的另一个重要的方法就是有限元数值分析法。本文通过建立合适的热分析模型,用COSMOS有限元软件对Bi2223/Ag高温超导多芯带材的失超传播过程进行了模拟仿真计算,得到超导体在不同传输电流、不同工作温度、不同触发能量下的失超传播特性曲线。失超传播性能的有限元分析结果与实验结果规律一致,但数值上稍有一些偏差,文中对其原因也进行了简要的分析。另外,一项很有意义的研究成果就是经过多次模拟计算得到了高温超导体在不同工作温度下的最小传播电流,这一点对超导体的稳定性研究有至关重要的参考价值。
电源故障时会有大电流冲击整个超导磁体线圈,本文对高温超导磁体密绕线圈在大电流脉冲时的稳定性用有限元方法进行了研究。探索出了一套过载电流冲击下线圈稳定性的研究方法,提出了一种判断高温超导体及线圈稳定性的判据。通过有限元分析得到不同工作温度(20K,30K,77K)下线圈在五倍过电流脉冲时对应的允许持续时间曲线。线圈在对应曲线的下方工作是稳定的,否则是不稳定的。为使超导磁体稳定运行,可以同时考虑最小传播电流和过电流脉冲幅值与持续时间作为超导磁体线圈工作电流的限制条件。
数值模拟分析和实验研究均表明,高温超导体及线圈的稳定性与其工作电流、运行温度以及外界的触发能量、周围的冷却环境和带材的超导性能、热性能参数等密切相关,所以,高温超导复合导体的失超恢复与失超传播是一个比较复杂的热过程。