中文摘要：
高温超导体稳定性的研究,对高温超导体的实际应用至关重要。超导体或由其制作的磁体一旦失去稳定性,其相较于传统导体的优势将会失去,并且可能因为磁体烧毁而带来巨大的经济损失。因此,有必要针对高温超导体的稳定性进行研究。在考虑高温超导体的稳定性问题时主要从两个角度出发,其一是从磁体保护的角度,研究新型的检测技术。确保在高温超导体失稳信号发生时,能够快速的检测到失稳信号,并反馈给保护电路对超导体失稳现象做出相应的保护。另一方面,研究导致高温超导体失去稳定性的因素,在磁体设计上尽量减小导致其失去稳定性的因素的影响,使得磁体能运行在更加稳定的状态。基于此,本文开展了针对高温超导体光纤布拉格光栅(FBG)的失超检测技术以及交流损耗特性的研究,主要研究内容如下:研究了液氮运行温区下不同涂覆的FBG温度传感器的低温传感特性。分析了聚酰亚胺、丙烯酸酯涂覆材料及制作工艺对FBG传感器低温下的温度灵敏度及重复性等特性的影响。并对未涂覆的FBG低温传感响应的预测进行了研究,从重复性的角度,给出了未涂覆FBG低温传感特性准确的预测方法。提出了直接用商业化的未涂覆的FBG温度传感器用于高温超导体失超检测的方法。基于提出的高温超导体失超检测方法,建立了考虑高温超导带材以及浸渍用环氧树脂结构的预测FBG传感器温度响应的解析计算模型。利用建立的模型可以计算FBG温度传感器嵌入进高温超导磁体中进行实际失超检测时的温度响应以及浸渍用环氧树脂厚度对FBG温度传感器温度响应的影响。模型的计算结果表明由于高温超导带材以及浸渍用环氧树脂大的热膨胀系数,可以显著提高未涂覆的FBG的低温温度灵敏度,实现嵌入即增敏的效果。通过实验验证了模型的正确性,结果表明所提出的模型可以为环氧浸渍的超导磁体基于商业化未涂覆的FBG温度传感器的失超检测技术提供重要的理论支持。同时,利用堆叠导体的温度测量实验验证了FBG在液氮温区测温的可行性,并分析了电磁应变对FBG温度测量的影响。搭建了高温超导体FBG失超检测平台。并利用建立的平台对高温超涂层导体进行了实际失超检测实验研究,分析了高温超导体失超过程中的未涂覆FBG传感器的响应特性以及超导体的失超特性。研究结果验证了提出的用未涂覆FBG进行失超检测方法的有效性。在验证了第一种失超检测方法有效性的基础上,提出了第二种FBG传感器非嵌入式高温超导体失超检测的方法。所提出的方法和第一种方法将FBG传感器嵌入进磁体内部不同,考虑将FBG传感器嵌入进磁体的样品架内部。研究了不同封装材料对FBG传感器温度响应的影响,并提出将细铜管封装的FBG传感器嵌入进样品架内部进行高温超导体的失超检测。利用高温超导涂层导体对第二种失超检测方法进行了实验验证。研究结果表明,提出的非嵌入式失超检测方法可以捕捉任何形式的失超信号,并给出了失超时高温超导带材表面的FBG传感器温度分布。针对高温超导体的交流应用情况,研究了具有磁性基底的堆叠导体的传输损耗。建立了具有磁性基底的高温超导带材堆叠导体的交流损耗有限元仿真计算模型。利用建立的模型,可以同时分析磁性基底高温超导带材内部的磁滞损耗、金属层涡流损耗以及磁性基底的铁磁性损耗。给出了堆叠导体内部的磁场分布、电流分布以及交流损耗分布。利用仿真计算结果,对堆叠导体的交流传输损耗特性进行了分析。搭建了堆叠导体交流损耗传统电测法测量系统,并基于对FBG低温传感技术研究的基础,同时搭建了基于热测法的FBG传输损耗测量系统。利用实验测量结果验证了仿真计算模型的正确性,并分析了电磁应变对FBG损耗测量的影响。研究结果为具有磁性基底的高温超导体的交流应用提供了重要的理论和实验依据。针对高温超导体的直流应用时出现的动态电阻损耗特性进行了研究。搭建了高温超导体动态电阻测试平台,并基于搭建的检测平台针对单根高温超导带材的动态电阻温度依赖性以及堆叠导体动态电阻的磁场角度依赖性进行了研究。对于单根高温超导带材的动态电阻温度依赖性研究发现不同温度下的动态电阻特性相同,其主要由高温超导体的临界电流的温度依赖性决定。不同温度下的动态电阻均可以由Mikitik和Brant提出的非线性阈值场公式以及Zhenan Jiang提出的线性阈值场公式进行解释和预测。基于此研究结果,给出了考虑临界电流温度依赖性的适用于任何温度下的动态电阻解析计算改进公式。对堆叠导体动态电阻的磁场角度依赖性研究发现,高温超导体的临界电流的磁场特性I _c(B,θ)是影响堆叠导体磁场角度特性的主要因素。和单根超导带材的动态电阻仅由磁场垂直场分量决定的特性不同,当I_t/I_(c0)＜0.7时,外磁场的平行场分量也对堆叠导体的动态电阻有影响。而当I_t/I_(c0)≥0.7时,堆叠导体的动态电阻可以仅由其垂直磁场下的动态电阻来表示,即R_(dyn)(B_m,θ)=R_(dyn)(B_mcosθ,90°)。
