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超导体磁通流动稳定性和能量损耗的力学效应研究
结题报告
批准号:
11702218
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
28.0 万元
负责人:
薛存
依托单位:
学科分类:
A0814.极端条件下材料与结构力学
结题年份:
2020
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
张宇、刘景、胡清波、戴仲苏
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中文摘要
由于具有优越的独特电磁性能,超导材料被广泛应用在许多高新技术领域中。然而随着超导性能的提高,超导体在高电流下出现磁通流动不稳定会引起明显的能量损耗和热效应并形成复杂的磁-热耦合系统;超导体受到电磁力作用出现明显的力学变形和裂缝并导致超导性能退化受到研究者的重视。本项目将考虑磁-热耦合效应,建立含裂缝超导体磁-热耦合系统的数值分析方法,从磁通涡旋运动角度探索超导体在外加电流和磁场作用下磁通流动、电压跳跃和温度场变化规律,揭示出裂缝和力学应变影响超导体电流-电压特征曲线和能量损耗而造成超导性能退化的微观机理。分析含不同钉扎中心和金属涂层的超导体磁-热耦合系统随时间演化规律,研究改变钉扎中心分布和金属涂层并对其进行优化来调控超导体的磁通流动稳定性和能量损耗,最后通过实验验证并完善理论分析。本项目的顺利开展将对评估和调控超导体电磁性能稳定性提供有效的理论指导和科学依据。
英文摘要
Since the superconducting materials exhibit some advantageous properties unique to them, they have been widely used in many advanced technique fields. With the development of the superconducting properties, the superconducting materials continue to attract considerable academic interest due to the facts: (i) the flux-flow instability and the thermal effect of energy dissipative in superconductors under high external current gives rise to a complicate magneto-thermal coupling system; (ii) the cracks and the strain in the superconductors induced by electromagnetic force lead to the degeneration of superconductivity. By considering the magneto-thermal coupling, this proposed project will develop a numerical approach for the magneto-thermal coupling system of superconducting films. In the view of vortex motion, we will study the flux flow, voltage jump and the variation of temperature field in the superconductors exposed in external magnetic fields and transport currents. This project will also reveal the microscopic mechanism of the effects of the crack and strain on the current-voltage characteristics and energy dissipative which results in the degeneration of the superconductors. Furthermore, we will also investigate the evolutions of the magneto-thermal coupling system in hybrid superconductor-metal films with various pinning centers. Additionally, we will try to tune the flux flow stability and energy dissipative of the superconductors by varying the pinning centers and metallic layers and by optimizing their parameters. Lastly, we will implement some experimental measurements to verify and accomplish our theoretical results. The successful implementation of this project will provide the scientific guidance in evaluating and tuning the electromagnetic stability of the superconductors.
处于超导态的超导材料具有零电阻效应,超导材料的电流承载能力比一般铜导体高一百倍以上,所以超导材料作为关键核心部分,在核磁共振、粒子加速器等国家重大需求领域发挥不可替代作用。而实用超导的载流能力和临界电磁性质取决于超导磁通涡旋的钉扎和脱钉扎过程,在宏观上体现为超导体有着复杂的力-电-磁-热多场耦合效应,因此,本项目从微观和宏观两个方面,针对磁通涡旋钉扎和脱钉扎过程,以及超导磁热稳定性展开了深入研究。主要研究内容和结果如下:.(1) 采用实验和数值模拟方法研究了排列孪生孔洞超导磁通涡旋钉扎形貌,发现有间隙涡旋填充的涡旋冰钉扎体系并揭示了有间隙涡旋填充的涡旋冰钉扎态更加稳定,从理论上发现了间隙涡旋填充涡旋冰钉扎态的临界电流密度更大等新电磁性质;.(2) 通过TDGL数值模拟方法,研究了超导体的临界电流与钉扎的强弱和钉扎密度的关系,通过调整钉扎孔洞的大小以及钉扎距离,来调控电流-电压特征曲线和涡旋整流效应;.(3) 通过数值模拟研究了通过引入动态钉扎中心拖拽磁通涡旋可以感应出开路电动势,分析了动态钉扎速度、强度、密度和拖拽方向与感应电压之间的关系;.(4) 采用数值模拟方法,研究了超导薄膜/铁磁复合带材结构,铁磁基底对超导薄膜附近的磁场分布的影响规律, 研究了垂直排列结构、水平排列结构和阵列排列结构的超导/铁磁双层带在平行磁场下的电磁响应规律;.(5) 基于Kim模型,研究了含边缘缺口超导薄膜中磁通崩塌的位置,揭示触发(磁通崩塌)位置的原因,阐明了边缘缺口是否能够触发磁热不稳定的根源。.综上成果,本研究为超导的实际工程应用中的临界电磁性能和磁-热稳定性可以提供理论依据,也为调控超导体电磁性能提供有效的科学依据。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Direct imaging of vortex pinning at artificial antidots with different geometries
不同几何形状人工解点涡旋钉扎的直接成像
DOI:10.1063/1.5114654
发表时间:2019
期刊:Applied Physics Letters
影响因子:4
作者:Zhang An-Lei;Xue Cun;Ge Jun-Yi
通讯作者:Ge Jun-Yi
Exploring the impact of core expansion on the vortex distribution in superconducting-normal-metal hybrid nanostructures
探索核心膨胀对超导-普通金属杂化纳米结构中涡流分布的影响
DOI:10.1103/physrevb.100.054519
发表时间:2019
期刊:PHYSICAL REVIEW B
影响因子:3.7
作者:Panghotra Ritika;Timmermans Matias;Xue Cun;Raes Bart;Moshchalkov Victor;Van de Vondel Joris
通讯作者:Van de Vondel Joris
Tunable artificial vortex ice in nanostructured superconductors with a frustrated kagome lattice of paired antidots
纳米结构超导体中的可调谐人工涡旋冰,具有成对解点的挫败戈薇晶格
DOI:10.1103/physrevb.97.134506
发表时间:2018
期刊:PHYSICAL REVIEW B
影响因子:3.7
作者:Xue C;Ge J Y;He A;Zharinov V S;Moshchalkov V V;Zhou Y H;Silhanek A V;de Vondel J Van
通讯作者:de Vondel J Van
DOI:10.1016/j.mechrescom.2018.05.003
发表时间:2018
期刊:Mechanics Research Communications
影响因子:2.4
作者:He An;Xue Cun;Zhou Youhe
通讯作者:Zhou Youhe
Stability of degenerate vortex states and multi-quanta confinement effects in a nanostructured superconductor with Kagome lattice of elongated antidots
具有细长解点 Kagome 晶格的纳米结构超导体中简并涡旋态的稳定性和多量子约束效应
DOI:10.1088/1367-2630/aae02d
发表时间:2018-09
期刊:New Journal of Physics
影响因子:3.3
作者:Cun Xue;Jun Yi Ge;An He;Vyacheslav S Zharinov;Victor V Moshchalkov;You He Zhou
通讯作者:You He Zhou
力学反作用下全尺寸高场Nb3Sn超导线圈磁-热稳定性研究
  • 批准号:
    12372210
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    53万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    薛存
  • 依托单位:
异质结构超导薄膜系统新奇涡旋态的直接观测研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    国际(地区)合作与交流项目
  • 资助金额:
    10万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    薛存
  • 依托单位:
超导电磁特性和钉扎效应随力学变形演化的微观机制
  • 批准号:
    11972298
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万元
  • 批准年份:
    2019
  • 负责人:
    薛存
  • 依托单位:
国内基金
海外基金