华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心
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强磁场中心工程团队提出超导磁体浸渍新工艺

发布日期:2019-10-08    作者:     来源:     点击:

(通讯员 王光达)929日,《超导科学技术》(Superconductor Science and Technology)在线刊发了华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心工程团队题为“A new method for avoiding critical current degradation of YBCO coils using ice impregnation”的论文,并将其选为2019年第32卷第10期(Volume 32 Number 10, October 2019)的封面文章。我校为论文第一单位,李亮教授和谭运飞教授为论文通讯作者,电气学院15级博士研究生王光达为论文第一作者。

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图1超导科学技术32卷第10期封面;图2高温超导冰线圈(左图)和高温超导环氧线圈(右图)。

近年来,随着生产工艺的提高,二代高温超导带材得到了快速发展,相比低温超导带材,二代高温超导体可在高磁场下承受更高的电流密度和机械强度,因此其越来越多地被应用到超导磁体的绕制中。在高场磁体中,环氧树脂经常被用来加固磁体。但是由于环氧树脂和高温超导带材的热收缩率相差很大,环氧树脂在冷却过程中产生较大的热应力,会导致涂层结构的二代高温超导带材临界电流降低。大量研究显示,环氧浸渍的高温超导磁体在多次热循环后会出现不同程度的临界电流性能衰退,这会严重影响超导磁体的效率和寿命。现在常用的无绝缘线圈绕制技术虽然可以解决临界电流降低的问题,但是其层间不存在加固,在高场下的应用受到很大的限制。

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图3左图显示超导线圈冰浸渍前后临界电流情况;右图显示超导冰线圈与超导环氧线圈多次热循环后的临界电流变化。

为了解决这个问题,强磁场中心工程团队首次尝试将冰浸渍技术应用到高温超导线圈中,图2显示高温超导冰线圈和超导环氧线圈。冰浸渍技术最早应用于脉冲磁体,李亮教授在他的博士论文中,进行了一系列冰浸渍脉冲磁体的研究,脉冲磁场最高可达62T,冰浸渍线圈的冷却时间可以达到常规环氧浸渍线圈的1/3。团队研究发现,超导冰线圈在冰浸渍完成后没有临界电流的衰减,在多次热循环后也不会出现临界电流的性能降低,而与之对应的环氧浸渍线圈在14次热循环后出现明显的性能衰退(如图3所示)。线圈降温过程和整体失超实验的结果显示(如图4所示),冰浸渍线圈相比环氧浸渍线圈具有更好的热稳定性。冰浸渍线圈的制作工艺简单,成本低廉,冰浸渍过的带材可以重复使用,是一种非常有前景的超导线圈加固技术。该项工作受到了业内同行的高度认可和极大兴趣。

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图4超导冰线圈与环氧线圈热稳定性对比:左图显示降温速度;中间和右图显示整体失超实验结果。

该项工作中,工程团队李亮教授在国际上首次提出将冰浸渍技术应用到超导磁体的思想,谭运飞教授验证了冰浸渍技术在超导线圈应用中的可行性。李亮教授现为华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心主任,长江学者特聘教授、杰出青年基金获得者、973项目首席科学家、国家重点研发计划首席科学家和基金委创新群体负责人,从事包括强磁场、整体充磁技术、磁共振成像(MRI)和高温超导电机等方面的研究。谭运飞教授为华中科技大学国家脉冲强磁场科学中心2018年引进的优秀人才,主要从事强磁场超导磁体技术研究,参与完成了十一五国家大科学装置“稳态强磁场实验装置”的建设任务,主持基金委重点项目、科技部ITER专项、科技部重点研发专项子课题等10余项。

该研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、安徽自然科学基金等支持。


论文链接:https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6668/ab347f

          https://doi.org/10.1088/1361-6668/ab347f