第二代高溫超導帶材過流失超機理的模型和實驗研究

本課題以超導帶材基本特性為出發(fā)點，分別借助有限元仿真及基礎實驗科學手段完成面向二代高溫超導帶材過流失超機理的研究。項目完成過程中，在有限元模型及過流失超實驗手段方面均完成了創(chuàng)新性研究。有限元模型搭建方面，首先完成二維模型單物理場到多物理場耦合的功能擴展，實現(xiàn)對超導帶材過流失超過程中溫度、應力等重要特征參數(shù)的動態(tài)模擬；其次完成二維模型到三維模型的空間擴維，攻克有限元對超導復雜結(jié)構(gòu)無法進行模擬的難題，為超導復雜結(jié)構(gòu)空間尺寸優(yōu)化提供有力的理論依據(jù)；在以上模型基礎上利用場路耦合、多軟件聯(lián)合仿真手段完成電壓源型超導模型搭建，實現(xiàn)外部電路與超導帶材物理量的協(xié)同計算，為不均勻超導帶材過流失超特性研究提供了相應的理論支撐。以上成果均已被SCI期刊錄用或發(fā)表?；A實驗測試方面，在課題開始的第一年內(nèi)主要完成包含臨界電流測試平臺、交流損耗測試平臺、超導帶材長帶均一性測試平臺等超導帶材基本特性測試平臺搭建，為研究超導帶材過流失超特性奠定堅實的基礎；此后針對超導帶材在超導限流器中的應用需求，先后完成超導帶材交流、直流短路測試平臺搭建，并同時綜合配置上海交通大學高電壓實驗室相關(guān)資源完成超導帶材雷電流短路沖擊試驗平臺設計，利用以上三類平臺，探索超導帶材過流失超特性與電流幅值、頻率等電流參數(shù)之間的關(guān)系，獲取超導帶材在不同電流波形下過流失超臨界參數(shù)，揭示超導帶材在過流沖擊中性能折損的機理。以上成果均已被SCI期刊錄用或發(fā)表。基于以上有限元及基礎實驗測試結(jié)果，課題組完成了兩臺分別應用于交、直流電流系統(tǒng)的電阻型超導限流器的設計、制備、及掛網(wǎng)運行試驗。 2100433B

本課題從理論模型和實驗測量兩方面研究第二代高溫超導帶材過流失超傳播特性。理論方面將開發(fā)一套能夠應對復雜幾何結(jié)構(gòu)的基于有限元分析的三維多物理量耦合超導仿真模型。該模型可以精確計算超導體在三維空間內(nèi)的電磁量分布，在此基礎上引入熱傳導模塊與之耦合，從而能夠計算超導帶材過流失超過程中溫度與臨界電流相互影響的復雜物理過程。在實驗方面將搭建一套超導帶材過流失超過程測量和觀測系統(tǒng)，該系統(tǒng)獨具匠心的將電壓測量法和氣泡拍攝法集成在同一實驗環(huán)境中，實現(xiàn)兩種方法的優(yōu)勢互補。本課題將對單根和多根超導帶材在不同工作條件下從過流失超到逐步恢復超導態(tài)的全過程中的電磁和熱學特性進行研究，也將探索不同帶材結(jié)構(gòu)、帶材排列順序、帶材性質(zhì)均一度、焊點和損壞點對失超傳播過程的影響。本課題將為基于第二代高溫超導帶材的電阻型超導限流器的設計提供重要的理論和實驗依據(jù)。也將為超導磁體、電纜和電機等設備的失超保護方案提供重要信息。

本項目首次將超導二流體模型引入時域有限差分法，建立了穩(wěn)定的時域有限差分方程。并與非線性有源器件模型及無源天線結(jié)合，對高溫超導有源天線進行了非線性電磁模擬和全波分析。首次將諧波平衡法與神經(jīng)網(wǎng)絡法結(jié)合，大大提高了有源天線的分析計算速度。首次研制了一個C波段振蕩型高溫超導有源集成天線，在液氮溫度下測得工作頻率為6.719GHz，天線等效全向輻射功率為188mw。此外，還測試了天線的方向性圖，其交叉極化面低于共面極化面12dB。我們還采用雙柵場效應管研制成自振混頻型有源天線，利用矩形貼片天線研制收發(fā)雙工有源天線，均獲得了預期的實驗結(jié)果。本項目共發(fā)表論文15篇，其中國際國內(nèi)一流刊物發(fā)表6篇。

• 非常規(guī)超導物理和材料研究

• 超導理論研究

• 基于Jesephson結(jié)的的量子計算研究

• 超導體混合態(tài)物理和磁通物質(zhì)態(tài)性質(zhì)研究

• 譜學研究手段研究超導機理問題：掃描隧道譜儀（STM/STS）、角分辨光電子譜（ARPES）、核磁共振（NMR）、中子散射（neutron scattering）、光電導譜（optical）、時間分辨超快譜、界面超導電性等等。