拓扑材料中的超导

近来,人们在凝聚态体系中发现了由拓扑不变量定义的物相,其中最重要的有拓扑绝缘体、拓扑半金属和拓扑超导体等.这些物相的拓扑性质由非平凡的拓扑数描述,相应的材料被称为拓扑材料,具有诸多新奇的物理特性.其中拓扑超导体由于边界上有满足非阿贝尔统计的Majorana零能模,成为实现拓扑量子计算的主要候选材料.除了探索本征的拓扑超导体外,由于拓扑性质上的相似性,在不超导的拓扑材料中调制出超导自然成为了实现拓扑超导的重要手段.目前,人们发展了栅极调制、掺杂、高压、近邻效应调制和硬针尖点接触等多种技术,已经成功地在许多拓扑绝缘体和半金属中诱导出了超导,并对超导的拓扑性和Majorana零能模进行了研究.本文回顾了本征拓扑超导候选材料,以及拓扑绝缘体和半金属中诱导出超导的代表性工作,评述了不同实验手段的优势和缺陷、分析了其超导拓扑性的证据,并提出展望.     

CiADS束流负载效应前馈补偿的仿真评估

在高功率超导质子直线加速器中,束流负载效应是影响超导腔幅相稳定性的一个重要因素。本工作基于谐振腔建场模型,开发了超导腔系统束流负载效应的时域仿真程序,分析了束流负载效应对超导腔幅相稳定性的影响,并在C-ADS注入器II上通过相关实验测量对仿真结果进行了验证。利用该程序,评估了CiADS超导直线加速器脉冲束流的脉冲长度,以及前馈补偿的时序抖动和束流纹波等因素对腔中电磁场幅相稳定度的影响。仿真结果表明:在当前CiADS直线加速器设计参数下,为满足超导腔中电磁场0.1%与在高功率超导质子直线加速器中,束流负载效应是影响超导腔幅相稳定性的一个重要因素。本工作基于谐振腔建场模型,开发了超导腔系统束流负载效应的时域仿真程序,分析了束流负载效应对超导腔幅相稳定性的影响,并在C-ADS注入器II上通过相关实验测量对仿真结果进行了验证。利用该程序,评估了CiADS超导直线加速器脉冲束流的脉冲长度,以及前馈补偿的时序抖动和束流纹波等因素对腔中电磁场幅相稳定度的影响。仿真结果表明:在当前CiADS直线加速器设计参数下,为满足超导腔中电磁场0.1%与$0.1^{\circ}$的幅相稳定度指标,前馈时序抖动的偏差不能超过0.79 μs,束流流强的直流偏差不能超过0.9%,并且给出了束流纹波的最大抖动幅值与纹波频率之间的关系。这些结果将为CiADS超导直线加速器相关子系统技术指标的确定提供依据。     

基于近似解析法的超导储能磁体设计

降低超导储能磁体的研制成本一直是控制超导磁储能系统(Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES)总成本的重要手段之一.本文考虑在一定磁体结构参数范围内,磁体产生的最大磁场值可以采用级数进行表示,磁体的电感值可以采用线性函数表示,给出了超导储能磁体磁场能量的近似解析表达式,提出了一种基于近似解析法的超导储能磁体设计方法.该方法以储能磁体的线材用量最小作为设计目标,在给定超导线材参数和临界电流特性曲线,以及磁体储能总量要求的情况下,依据此方法可快速的得到成本最优时所对应的磁体结构参数.将近似解析法优化和采用传统的有限元软件Ansys仿真优化进行对比分析,结果表明采用近似解析法进行磁体优化更加方便快捷,节省了大量计算时间.     

直流高温超导电缆用于数据中心配电的可行性

高温超导直流电缆是一种无传输损耗、高载流密度的特殊电缆,有潜力解决数据中心耗电功率密集、物理空间受限等问题。为了探究高温超导电缆在数据中心直流母线中应用的可行性,以某可再生能源供电、交直流混合配电的数据中心为原型,设计了高温超导电缆为数据中心配电的直流母线结构及其与支路的连接方式,通过有限元仿真的方法,设计了母线的基本结构,并对配电的效率、优势进行了初步分析。结果表明,在分布式新能源供电的数据中心中,应用高温超导直流电缆具有减少变电环节、减少空间占用、改善通风散热的作用,从而可以降低数据中心中的能量损失。     

一种超导重力仪磁悬浮力的等效计算

为实现超导重力仪磁悬浮力的精确计算,以GWR型超导重力仪为模型基础,采用有限元的思想,将超导球表面电流理想化为多个等高共轴电流环,计算出各个电流环与超导线圈的作用力,求和得到线圈与超导球间的磁悬浮力。利用MATLAB完成计算程序实现,通过改变下线圈电流和上、下线圈电流比,获得满足一定条件的磁悬浮力及其梯度。选取合适的模型参数,计算出线圈对质量为m=4.069 g超导球的磁悬浮力大小为:Ftotal=3.988×10^-2N,磁悬浮力梯度为:-9.699×10^-3N/m,此时悬浮力梯度合适,满足系统稳定性和灵敏度的要求。     

电枢参数对电枢超导型高温超导电机性能的影响

高温超导材料存在背景磁场依赖性和各向异性的问题,针对超导感应电机采用双层绕组结构,提出了双重镜像法建立开口矩形槽内漏磁场垂直方向和水平方向的解析模型,利用该模型研究了超导线圈在传输不同电流情况下磁场分布规律,揭示了开口矩形槽电磁结构参数对槽内超导线圈所受表面磁场的影响规律。研究结果表明,适当增大槽宽尺寸可以有效降低超导线圈表面所受最大磁场,传输电流和线圈匝数均能够近乎线性增大超导线圈表面所受最大磁场。     

单环路平板脉动热管定向循环的数值研究

根据脉动热管薄液膜蒸发和凝结相变换热的特点,对基于体积分数法的VOF相变进行了改进,建立了单环路板式脉动热管的三维流固耦合仿真模型,对高充液率下的定向循环工作特性和传热性能进行了数值研究。结果表明:仿真得到的泡状流,柱塞流以及环状流的分布以及转换规律和可视化实验结果较好吻合;在一定的充液率下,随着热负荷的增加,热阻先减小,然后上升,充液率越低,热阻越小,和实验结果的热阻误差在10%以内。分析发现,除了相变换热系数,脉动热管的热阻还和系统压力密切有关,高充液率、高功率下,内部压力(相变温度)上升过快,是其热阻升高的主要原因之一。     

上海光源超导波荡器模型机失超保护设计

中国科学院上海应用物理研究所正在研制一台50周期的低温超导波荡器模型机用于上海同步辐射光源装置,磁体绕组采用NbTi超导线,周期长度16mm,磁间隙9.5mm,运行电流为400A,目标峰值磁场0.67T。磁体储能为7.2kJ。为了保证模型机安全稳定的运行,采用基于有限元方法的数值模拟,将50周期磁体简化为绕组模型并分析其失超过程,根据实验与分析结果提出失超保护设计方案。将50周期磁体的上下两部分作为两段,每段通过失超探测仪进行监测,并通过并联背靠背的冷二极管进行保护。为了使设计尽可能简化并限制磁体端部电压,没有采用主动加热器与引能电阻。     

激光淀积YBa2Cu3O7外延超导薄膜

利用准分子脉冲激光成功地在(100)SrTiO_3与(100)Y-ZrO_2衬底上淀积了 YBa_2Cu_3O_7超导薄膜,T_c(R=0)>90K,J_c(T<82K)>1×10~6A/cm~2.研究了衬底温度对外延YBa_2Cu_3O_7薄膜超导性能及结构的影响.