电流激励下两带单结超导环的电磁性质研究

在两带Ginzburg-Landau理论基础上,我们研究了在电流激励情形下两带单结超导环的电磁性质.两带超导环中可引入的两个超导序参量的相位差满足sine-Gordon方程,由该方程的孤立子解我们得到了单个超导结(微桥结构)两端相位差与总磁通之间的线性关系.通过微桥中电流与超导结两端相位差满足的非线性Josephson方程,建立了在电流激励下环内磁通与外加电流之间的依赖关系.我们的分析表明两带超导环中可能产生的孤立子解及分数磁通量子化现象可以通过测量单结超导环中的电磁性质加以验证.     

高温超导块材磁通汇聚效应的数值模拟研究

高温超导块材在零场冷条件下感应产生的涡流可以有效地屏蔽外加磁场, 从而改变空间磁场分布. 通过合理的设计, 该效应可以被用来约束、 聚集磁通, 从而增大局域磁通密度, 对于需要高磁通密度和磁场梯度的应用具有重要意义. 本论文利用基于 H 方程的二维有限元数值模拟, 结合 GdBa2Cu3 O7 -δ 材料实测的Jc (B ,T ) 关系,研究了 GdBa2Cu3 O7 -δ 超导块材的磁通汇聚效果, 分析了超导块材的空间位置、 工作温度及不同外加磁场对其磁通密度放大效果的影响. 结果显示在30 K 的温度下, 外加11 T 的外加磁场时, 可以在间距为2 mm 的两块超导块体间隙获得17.2 T 的磁场, 磁场放大效率达到56 % .     

托卡马克聚变堆中环向磁场超导线圈的磁弹性弯曲与稳定性

本文针对托卡马克装置中超导载流磁体的磁弹性弯曲与稳定性问题，运用Ｂｉｏｔ－Ｓａｖａｒｔ定律和曲梁弯曲理论，给出了其环向磁场的超导载流线圈结构在自身电流产生的磁力作用下的磁弹性力学模型。所得到的控制方程反映了磁场与线圈变形之间的非线性耦合作用，全面描述了结构的轴向拉伸、绕轴扭转、面内弯曲和面外弯曲等各种变形模式。本文采用半解析半数值方法对控制方程进行了定量求解，获得了有关线圈形变和内力分布的定量结果。通过其面外弯曲变形与外加电流的非线性关系，应用Ｓｏｕｔｈｗｅｌ图，给出了线圈在磁弹性相互作用下发生磁弹性失稳的临界电流值，并讨论了临界电流随环向磁场线圈个数变化的规律     

磁悬浮系统中多芯复合Nb3Sn超导线磁通跳跃的可调性研究

超导磁悬浮列车在加速启动的过程中,载有恒定大电流的超导线圈处在变化的磁场中,这会导致超导线圈发生磁通跳跃,从而降低线圈的载流能力.并且磁通跳跃会产生大量热量而使超导线圈温度急剧升高,严重时会导致超导线圈失超,所以对磁通跳跃的研究具有非常重要的科学意义.Nb₃Sn超导线是由多根微米级的超导芯丝、铜和环氧树脂形成的复合结构.本文通过约束每根芯丝的静电流为零的二维模型来分析三维绞扭效应,研究了超导线在交变磁场和恒定电流下的磁热不稳定性行为.通过分析交变磁场的幅值和频率对Nb3Sn超导线磁通跳跃的影响,发现当磁场幅值不变时,初次发生磁通跳跃的磁场阈值B_th随频率非单调变化.而当频率一定时,初次发生磁通跳跃的磁场阈值B_th随交变磁场幅值单调变化.此外,随着幅值的减小,发生磁通跳跃的频率区间先变大后变小,直到某个临界频率后超导线不再发生磁通跳跃.本文的研究结果能够为调控超导线的磁热不稳定性行为提供理论依据.     

高温超导磁通跳跃过程中的磁致伸缩效应

文中基于超导磁通动力学理论,考虑电磁力与热激活对磁通运动的影响,基本模型包括由等效电阻率随超导体温度和磁场变化的磁通扩散方程,以及比热随超导体温度变化的热传导方程组成.在此基础上,用数值方法求解了这组非线性磁热耦合方程,主要研究了有磁通跳跃状发生状态时环境温度和外磁场速度对于高温超导磁致伸缩的影响.结果表明:磁通进入超...     

超导磁梯度张量探头结构优化方法研究

针对传统超导磁梯度张量探头中多个磁梯度计间的噪声互扰会降低系统灵敏度的问题，本文提出了一种基于二维傅里叶变换的磁梯度张量探头结构优化方法。通过二维傅里叶变换及逆变换将磁场矢量Z分量沿着Z轴方向的二阶空间导数B_zzz转换为磁场矢量的3个分量以及一阶磁梯度张量的5个独立元素，把通常至少需要6个SQUID一阶平面磁梯度计的探头结构简化为只需要1个二阶SQUID磁梯度计的探头结构，消除了磁梯度计之间的噪声干扰，系统灵敏度提高了1个数量级。实验结果表明该探头具有良好的探测能力，证明了这种优化方法的可行性。     

EAST极向场线圈及磁测量系统的修正

采用网格法计算空间磁场,应用最小二乘法优化极向场线圈、单匝环、磁探针位置参数及标定系数获得了更准确的位置坐标,明显地改善了磁场和磁通的计算误差,也为等离子体平衡反演算法提供更准确的格林函数。     

托卡马克聚变堆中环向磁场超忸线圈的磁弹性弯曲与稳定性

本文针对托卡马克装置中超导载磁体的磁弹性弯曲与稳定性问题，动用Ｂｉｏｔ－Ｓａｖａｒｔ定律和曲梁弯曲理论，给出了其环向磁场的超导载流线圈结构在自身电流产生的磁力作用下的磁弹性力学模型。     

临界电流密度对圆柱状超导体力学特性的影响

高温超导体具有较高的临界温度、高载流能力和低能耗特性,在电力领域得到了广泛的应用,其在通有承载电流情况下的力学特性得到了广泛的关注.研究了承载电流情形下圆柱状超导结构内的磁通钉扎力学响应.考虑临界电流密度沿径向非均匀分布,基于临界态Bean模型,获得了圆柱状超导结构内的感应磁场及电流的分布规律.结合平面应变方法,给出了结构内磁通钉扎力、应力及磁致伸缩的解析表达式.结果表明:临界电流密度非均匀分布时,超导结构内的应力变化趋势与均匀分布时一致,然而临界电流密度的非均匀分布将导致超导结构内的应力和磁致伸缩的极值增大,并引起结构内局部径向应力大小发生改变以及环向应力分布不连续.本研究表明临界电流密度非均匀性对超导结构力学性能的影响是显著的,可为超导体的设计和实际应用提供参考依据.     

基于解析法的超导发电机磁场分析与结构优化

混合型高温超导发电机采用高温超导带材作励磁材料,结构上与传统电机有较大的不同,设计方法也不尽相同.本文基于傅里叶变换将超导发电机的励磁集中绕组等效为沿转子圆周正弦分布的激励源,建立了超导发电机磁场分析模型.对电机气隙磁场分布进行了求解,并分析了不同绕组张角时气隙磁密波形中的谐波含量.通过参数化分析,研究了不同环境屏、转子的尺寸对电机功率密度的影响.采用有限元法对磁场求解结果进行了验证,结果一致性较好.研究结果表明,励磁绕组张角会对电机气隙磁密波形产生影响,合理设置超导发电机环境屏及转子结构,可以提高超导发动机的功率密度.     

低噪声超导量子干涉器件磁强计设计与制备

超导量子干涉器件(superconducting quantum interference device, SQUID)作为一种极灵敏的磁通传感器,在生物磁探测、低场核磁共振、地球物理等领域得到广泛应用.本文介绍了一种基于SQUID的高灵敏度磁强计,由SQUID和一组磁通变压器组成. SQUID采用一阶梯度构型,增强其抗干扰性.磁通变压器由多匝螺旋的输入线圈和大尺寸单匝探测线圈组成,其中输入线圈与SQUID通过互感进行磁通耦合.利用自主工艺平台,在4英寸硅衬底上完成了基于Nb/Al-AlO_x/Nb约瑟夫森隧道结的SQUID磁强计制备.低温测试结果显示,该磁强计磁场灵敏度为0.36 nT/Φ_0,白噪声段磁通噪声为8μΦ_0/√Hz,等效磁场噪声为2.88 fT/√Hz.     

应用于超导重力测量的磁屏蔽系统研究

在高精度超导重力磁悬浮系统中，高效屏蔽外界磁场干扰是实现高精度重力测量的关键，尤其对于无处不在的地磁场干扰问题。根据不同材料的屏蔽特性，分析了地磁场对超导重力测量的影响，利用ANSYS Maxwell 3D建立了以地磁场为背景的屏蔽模型，对屏蔽体不同材料、厚度、高度、直径等关键参数进行了分析及优化，并设计了多层复合屏蔽结构，屏蔽效能可达65 dB以上，满足重力信号的高精度测量需求，研究结果对于高精度超导重力测量装置的磁屏蔽设计具有重要的实际指导意义。     

高温超导体磁通跳跃数值模拟

文中基于超导磁通动力学理论,考虑电磁力与热激活对磁通运动的影响,基本物理模型由等效电阻率随超导体温度和磁场变化的磁通扩散方程,以及比热随超导体温度变化的热传导方程组成。在此基础上,用差分法数值求解了这一复杂非线性系统的磁热耦合控制方程,得到了与实验观测结果基本一致的数值模拟结果。结果还表明：外加磁场变化速度、超导体初始温度以及超导尺寸对于磁通跳跃均产生明显的影响。     

缓慢退磁的超导圆盘中的俘获场

本文提出了一个系统的理论框架计算通过场冷过程磁化的超导圆盘中的俘获场和温度分布.此计算基于电流运动方程,考虑到电流密度是温度和磁场的函数,考虑到在正常区和超导区由磁通运动产生的热耗散.计算结果和最近不同研究组的实验结果一致.     

超导腔垂直测量系统中的磁屏蔽

简要介绍空间磁场对纯铌超导加速腔性能的影响,以及在超导腔垂直测量时对空间磁场进行有效屏蔽的方法.由于多数磁性材料对应力和温度变化非常敏感,而且国内缺乏在低温下相关磁屏蔽材料性能的数据,为此对8种国产铁磁和软磁材料在低温下的初始磁导率进行了测量,并给出了相应的测试结果.最后介绍了作者研制的1.3GHz超导腔垂直测量低温恒温器内置式磁屏蔽装置及其性能.     

扫描SQUID显微镜及其在物理研究和微电子工程中的应用

扫描ＳＱＵＩＤ显微镜，是９０年代出现的一种新型微结构磁成像仪器，是迄今为止探测微米尺度结构中微弱磁场或微小电充的最灵敏的仪器。它可检测小于１０＾－１０Ｔ的磁场，几个纳安（１０＾－９Ａ）的电流或几百个玻尔磁子的永久磁矩。虽然诞生时间不长，但它无论在基础研究（例如，关于高温超导体波函数对称性的著名三晶超导环实验）还是在应用研究（例如，微电子器件中的捕获磁通问题）都已发挥了重要作用，显示了它在未来科学与     

磁通约束型超导限流器电压分布计算与分析

阐述了磁通约束型超导限流器的基本原理,仿真分析了限流器在系统中限流效果以及电流变化,解析计算了限流过程中的产生的冲击电流;针对400V/20A容量的磁通约束型超导限流器,分析了限流器限流过程的电压分布,对比在层绕与饼绕两种设计方案下电压分布的差异以及磁场分布变化。     

高温超导圆柱在不同脉冲宽度磁场作用下的温度和磁场分析

多脉冲分段冷却磁化技术是获得强俘获磁场的一种有效方法,近年来受到广泛关注,脉冲磁场的幅值和宽度是影响该方法的两个重要因素。文中通过求解基本的超导电磁场和温度场耦合方程,研究了两种不同脉冲宽度情形下脉冲磁化过程中超导体磁场和温度场的变化。结果表明,宽脉冲作用下超导体在磁化过程中温度较低,分布均匀,而且有更多磁通进入超导体。     

通道内空气热磁对流的协同分析

为研究通道内空气热磁对流的流动规律,用数值模拟方法,研究了磁场作用下二维模型水平通道内的流动换热过程,获得了通道内的磁通密度分布和空气温度轴向分布,在此基础上,建立了一维通道内空气热磁对流的数学模型,就温度场和磁场的相对关系对水通道内热磁对流过程的影响进行了数值计算,获得了通道内不同温度场、磁场以及其不同相对位置下的通道空气流量,并讨论了磁极形状对空气流量及其变化的影响。     

一种新的超导储能磁体结构优化方法

高温超导线材的各向异性一直影响其在工程中的使用性能,临界电流主要受磁体最大垂直磁场(垂直于带材表面)决定,最大应力通常出现在最大轴向磁场(平行于带材表面)处.文章针对单螺线管超导储能磁体,从增大临界电流和减小机械应力两方面出发,提出一种新的超导储能磁体结构优化方法.利用MATLAB从不同径高比(平均半径/高)着手,计算带材总长度为2000m的多组磁体结构参数,建立了单螺线管超导磁体的有限元模型,结合COMSOL仿真软件获得多组结构参数的应力、磁场分布以及磁场最大值,将承受最大应力区域的磁体转移至磁体两端中部区域.对参与转移的磁体参数进行计算,分析对比不同转移参数对磁体应力和临界电流的影响.仿真结果表明,对比常规磁体,优化后的磁体能有效减小最大垂直磁场从而增大临界电流,减小最大轴向磁场从而减小最大应力,对超导储能磁体的优化具有重要意义.