第二代高溫超導(dǎo)帶材過流失超機(jī)理的模型和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)題摘要

本課題以超導(dǎo)帶材基本特性為出發(fā)點(diǎn)，分別借助有限元仿真及基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)科學(xué)手段完成面向二代高溫超導(dǎo)帶材過流失超機(jī)理的研究。項(xiàng)目完成過程中，在有限元模型及過流失超實(shí)驗(yàn)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(chǎng)到多物理場(chǎng)耦合的功能擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)超導(dǎo)帶材過流失超過程中溫度、應(yīng)力等重要特征參數(shù)的動(dòng)態(tài)模擬；其次完成二維模型到三維模型的空間擴(kuò)維，攻克有限元對(duì)超導(dǎo)復(fù)雜結(jié)構(gòu)無(wú)法進(jìn)行模擬的難題，為超導(dǎo)復(fù)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(chǔ)上利用場(chǎng)路耦合、多軟件聯(lián)合仿真手段完成電壓源型超導(dǎo)模型搭建，實(shí)現(xiàn)外部電路與超導(dǎo)帶材物理量的協(xié)同計(jì)算，為不均勻超導(dǎo)帶材過流失超特性研究提供了相應(yīng)的理論支撐。以上成果均已被SCI期刊錄用或發(fā)表?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)試平臺(tái)、交流損耗測(cè)試平臺(tái)、超導(dǎo)帶材長(zhǎng)帶均一性測(cè)試平臺(tái)等超導(dǎo)帶材基本特性測(cè)試平臺(tái)搭建，為研究超導(dǎo)帶材過流失超特性奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；此后針對(duì)超導(dǎo)帶材在超導(dǎo)限流器中的應(yīng)用需求，先后完成超導(dǎo)帶材交流、直流短路測(cè)試平臺(tái)搭建，并同時(shí)綜合配置上海交通大學(xué)高電壓實(shí)驗(yàn)室相關(guān)資源完成超導(dǎo)帶材雷電流短路沖擊試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)，利用以上三類平臺(tái)，探索超導(dǎo)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(dǎo)帶材在不同電流波形下過流失超臨界參數(shù)，揭示超導(dǎo)帶材在過流沖擊中性能折損的機(jī)理。以上成果均已被SCI期刊錄用或發(fā)表?；谝陨嫌邢拊盎A(chǔ)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，課題組完成了兩臺(tái)分別應(yīng)用于交、直流電流系統(tǒng)的電阻型超導(dǎo)限流器的設(shè)計(jì)、制備、及掛網(wǎng)運(yùn)行試驗(yàn)。 2100433B

本課題從理論模型和實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)煞矫嫜芯康诙邷爻瑢?dǎo)帶材過流失超傳播特性。理論方面將開發(fā)一套能夠應(yīng)對(duì)復(fù)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(dǎo)仿真模型。該模型可以精確計(jì)算超導(dǎo)體在三維空間內(nèi)的電磁量分布，在此基礎(chǔ)上引入熱傳導(dǎo)模塊與之耦合，從而能夠計(jì)算超導(dǎo)帶材過流失超過程中溫度與臨界電流相互影響的復(fù)雜物理過程。在實(shí)驗(yàn)方面將搭建一套超導(dǎo)帶材過流失超過程測(cè)量和觀測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)獨(dú)具匠心的將電壓測(cè)量法和氣泡拍攝法集成在同一實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)兩種方法的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。本課題將對(duì)單根和多根超導(dǎo)帶材在不同工作條件下從過流失超到逐步恢復(fù)超導(dǎo)態(tài)的全過程中的電磁和熱學(xué)特性進(jìn)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(diǎn)和損壞點(diǎn)對(duì)失超傳播過程的影響。本課題將為基于第二代高溫超導(dǎo)帶材的電阻型超導(dǎo)限流器的設(shè)計(jì)提供重要的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。也將為超導(dǎo)磁體、電纜和電機(jī)等設(shè)備的失超保護(hù)方案提供重要信息。

本項(xiàng)目首次將超導(dǎo)二流體模型引入時(shí)域有限差分法，建立了穩(wěn)定的時(shí)域有限差分方程。并與非線性有源器件模型及無(wú)源天線結(jié)合，對(duì)高溫超導(dǎo)有源天線進(jìn)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(luò)法結(jié)合，大大提高了有源天線的分析計(jì)算速度。首次研制了一個(gè)C波段振蕩型高溫超導(dǎo)有源集成天線，在液氮溫度下測(cè)得工作頻率為6.719GHz，天線等效全向輻射功率為188mw。此外，還測(cè)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(chǎng)效應(yīng)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(yù)期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本項(xiàng)目共發(fā)表論文15篇，其中國(guó)際國(guó)內(nèi)一流刊物發(fā)表6篇。

• 非常規(guī)超導(dǎo)物理和材料研究

• 超導(dǎo)理論研究

• 基于Jesephson結(jié)的的量子計(jì)算研究

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

• 譜學(xué)研究手段研究超導(dǎo)機(jī)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(dǎo)譜（optical）、時(shí)間分辨超快譜、界面超導(dǎo)電性等等。