超高场超导磁体的关键科学与技术问题研究

High magnetic field is a kind of important extreme condition, which can offer special test environment for scientific research. High Magnetic Field Facility has become an irreplaceable tool for carrying out basic research of condensed matter physics, magnetism, materials science, chemistry, life sciences, medical science and so on. Bitter type water-cooled magnet is a kind of high efficiency experimental facility that can generate a strong magnetic field , which have set series of world record in steady state magnetic field. However, it has insurmountable difficulties to achieve a higher magnetic field because of high energy consumption and the restriction of materials.. Compared to water-cooled magnets, superconducting magnets have lots of advantages such as high stability, high uniformity, low operating cost and so on. With the development of process technology and performances of second-generation high temperature superconducting tapes YBCO, it brings a new opportunity to develop extra high field superconducting magnet（>30T）which consists of low temperature superconducting materials and high-temperature superconducting materials. This project will utilize series of high-field water-cooled magnets in High Magnetic Field Laboratory of the Chinese Academy of Sciences to study the basic science problems and internal mechanism for developing extra high field superconducting magnet. At the same time, this project will sovle the technical issues such as YBCO low resistance superconducting joint, screen current, and non-insulation magnet technology, which will provide a solid technical foundation for the development of extra high field superconducting magnets.

强磁场是一种重要的极端条件，为科学研究提供了特殊的实验环境，强磁场实验装置已成为当今开展凝聚态物理、磁学、材料科学、化学、生命科学、医学等前沿基础研究的不可替代的重要手段。Bitter型水冷磁体是一种能够产生很强中心磁场的高效率强磁场实验装置，创造了多项稳态磁场强度的世界记录，然而其向更高磁场发展的过程中在能耗和材料等方面存在着难以逾越的制约因素和发展瓶颈。. 相比水冷磁体，超导磁体具有高稳定度、高均匀度、低运行成本等优势，随着二代高温超导带材YBCO制备工艺和性能的不断提高，为发展低温超导材料和高温超导材料组合而成的超高场（>30T）全超导磁体的研制带来了新的契机。本项目将依托中科院强磁场中心的系列高场水冷磁体，研究超高场超导磁体研制的基础科学问题和内在机制，拟解决YBCO低阻超导接头、屏蔽电流效应、无绝缘磁体等技术难点，为超高场全超导磁体的研制奠定坚实的技术基础。

强磁场是一种重要的极端条件，为科学研究提供了特殊的实验环境，已成为前沿基础研究不可替代的重要手段。超导磁体具有高稳定度、高均匀度、低运行成本等优势，随着二代高温超导带材YBCO制备工艺和性能的不断提高，为发展低温超导材料和高温超导材料组合而成的超高场（>30T）全超导磁体的研制带来了新的契机。本项目主要围绕着YBCO低阻超导接头、屏蔽电流效应、无绝缘磁体等技术难点，研究超高场超导磁体研制中的基础科学问题和内在机制。.在本项目的支持下，系统研究了接头长度、焊料、焊接温度等因素对接头电阻性能的影响规律，同时首次实验研究了接头内部电阻分布的特殊规律，为改进和优化高温超导接头的结构设计提出了新的思路。在屏蔽电流效应研究方面，分别建立了高温超导磁体的二维和三维模型，理论分析了屏蔽电流对高温超导线圈磁场均匀度、剩磁、电磁应力等性能的影响，同时首次实现了屏蔽电流效应的实验观测，提出了一种YBCO宽带刻划多芯处理方法降低超导线圈屏蔽电流效应的新方法。在无绝缘线圈的研究方面，本项目提出了一种高温超导线圈加固和绝缘新方法，首次将冰浸渍的概念应用到高温超导线圈中，并解决了传统环氧线圈临界电流性能衰退的问题。建立了YBCO带材和线圈的失超数学物理模型，模拟研究了不同工作温度、工作电流情况下高温超导线圈的失超过程。在高温超导内插线圈的研究方面，利用高场水冷磁体的实验条件，研制了多台YBCO高温超导内插线圈，在28.51T的水冷磁体背景磁场下，最高实现了32.68T中心磁场。相关科研成果在国内外重要学术期刊发表论文17篇，其中两篇文章发表在超导电工学领域顶级期刊Superconductor Science and Technology上，分别被选为封面文章和letter文章，一篇文章发表在核聚变领域顶级期刊Nuclear Fusion上，申请发明专利7项，培养硕士研究生4人、博士研究生4人、本科生2人。