超导复合材料与磁体结构低温多场环境下耦合性能的实验表征与检测技术

Because of some superior characteristics on Meissner effect and zero resistance, supercoductors have very important applications on many engineering fields. The current-carrying superconductor and its structure are exposed under cryogenic temperature and intense magnetic field, which display a coupled electromagneto-thermomechanical characteristic.In addition, Lorentz force and mechanical force will alter the physical parameters of superconductor and missing of superconducting state and thus further destroy the magnet structure. Based on a series basic questions on the characteristic of mechanics behaviors of supercoductor/magnet under low temperature and multi-field environment, we aimed to establish related experimental characterization and study of their multi-field nonlinear coupled behavior. Some of the research topics include: experimental characterization of superconductors' macro-mechanical parameters under difficult deformation mode and severe low/variable temperature environment;experimental method of coupled performance for supercoductor and superconducting magnet under complex and operating environment; detection of multi-field and multi-variable signal for superconducting magnet multi-field and multi-variable during quenching. And through researching of basic experimental study, to establish preliminarily cryogenic mechanical parameters database of superconductor under difficult deformation mode for low/variable temperature；to achieve experimental characterization of coupled performance for supercoductor and superconducting magnet during excitation and quching and real-time acquisition for multi-field and multi-variable signal. The present research results will also provide some basis on designing and their engineering applications for supercoductor and superconducting magnet.

超导材料由于迈斯纳效应、零电阻等优越特性在诸多工程领域有着极为重要的应用。超导材料与结构的工作状态往往是处于低温、电磁等共存的极端环境下，表现出多场相互耦合特征。高电流产生的强电磁力或机械外力将导致超导材料和结构的物性参数变化甚至超导态的丧失，严重影响到其安全运作。围绕超导材料与磁体结构在低温多场环境下所关联的力学性能表征等基础问题，本项目将开展与此相关的实验表征及其多场耦合非线性行为的实验研究。主要内容包括：不同变形模式与低/变温环境下超导材料宏观力学参数的实验表征；多场运行环境下的超导材料与磁体结构耦合性能的实验方法；以及超导磁体失超过程下的多场多变量的检测。通过开展基础性的实验研究，初步建立典型超导复合材料的不同变形模式下低温力学参数数据库，实现超导材料及其磁体结构极端多场运行和失超环境下的耦合性能测试与多场多变量信号实时采集，为超导材料及其磁体结构的自主设计与工程应用提供基础支撑。

本项目3年来紧密结合申请单位目前建造的若干加速器超导磁体工程，针对高、低温超导材料及其磁体结构在极端工况环境下的一系列力学及其多场耦合问题，开展与此相关的实验表征及其检测方法研究。本项目旨在开展低/变温环境下超导材料力学实验表征研究，实现超导磁体结构极端环境下多场多信号探测技术，探索基于应变检测模式的超导磁体结构失超检测新方法，最终，揭示超导材料与磁体结构多物理场耦合性能，提高其在线服役性能。本项目主要取得以下成果：（1）开展了若干实用高、低温超导材料（如NbTi/Cu, Nb3SN/Cu, Bi2223,YBCO,MgB2等）在低/变温环境下拉、压、弯等不同变形模式下宏观力学参数的实验表征与方法研究；（2）结合申请单位LPT、CIADS、超导离子源SECRAL II等项目中多个低温超导磁体结构，提出了运用“低温电阻应变片+补偿电路+无线应变仪”的低温-电磁场环境下的“远程控制式”力学检测方法，探索了电测量信号在低温强磁场环境下的干扰和屏蔽手段；（3）基于对多组超导磁体结构失超过程中的应变率信号分析、归纳，提出了基于应变测量失超的基本判断准则——应变率失超判断准则，并借助广义热弹理论（非傅里叶热波理论）证明了其提出的失超判断准则的合理性等。相关技术和结果将为中科院近代物理研究所自主研制的超导磁体结构的低温下应变测量提供相应的方法和指导，同时，也为超导材料及其磁体结构极端环境下的自主设计与工程应用提供基础支撑。. 此外，本项目执行期间，共发表学术论文16篇，其中SCI收录文章14篇（5篇发表于国际超导技术权威杂志IEEE Trans. Appl. Supercon.，1篇目前已被超导科学与技术Top期刊Supercond. Sci. Technol. （SCI二区）接受），申请相关专利1项，参加国际专业磁体技术会议1人次，参加国内相关力学会议3人次（均做会议报告），培养研究生3名，其中1名已毕业。