（电磁场与微波技术专业论文）高温超导永磁体特性的实验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 - 、i 非理想第1 i 类超导体内部存在的异常区，即钉扎中心，会对磁 通线的运动产生阻碍作用，使超导体具有一定的剩磁而成为超导永 磁体。高温超导永磁体的高场、高磁能积和良好的磁稳定性等特点 为实用化铺平了道路。+ 体文采用熔融织构法制各的高温超导y b c o 块材在不同外场下进行励磁而成为超导永磁体。文中主要研究了高 温超导永磁体在外场下的受力状况以及外场对其内部磁通量的影 响、高温超导y b c o 块材在不同脉冲场下的俘获磁通特性以及超导 体块材自身的厚度、形状、密度等参数对其在外场下受到的悬浮力 和俘获磁通的影响。相应得到如下结论： 超导永磁体的磁场很容易受到外界磁场的影响，在外场的作 用下，超导永磁体的自身场强会增大或减小。 超导体在脉冲场下具有特殊的励磁特性，当脉冲场在1 9 t 左右时，由于在脉冲场下超导体内的磁通线运动受到较大的 粘滞力作用，超导体表面中心的俘获场分布扫描图将出现一 些凹陷区域，这是跟超导体在恒定场下的励磁和一般永磁体 所不同的。 对高温超导磁悬浮车系统而言，厚度为2 5 m m 的圆柱形超导 体在距离永磁导轨一定高度处场冷时，能保证车体运行时具 有足够的侧向稳定性和悬浮高度。 超导体块材自身的密度跟它的俘获磁通能力之间并没有直 接的联系，影响超导体俘获磁通能力的是超导材料内的弱连 接和材料的临界电流密度，而超导体在一定外场下受到的悬 浮力能够在一定程度上反映出它的俘获磁通性能。 关键词：y b c o 高温超导块材：高温超导永磁体；俘获磁通：脉冲场 磁化 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 a b s tr a g t p i n n i n g c e n t e r s ，t h a t a r es o m ea b n o r m a l r e g i o n s i n t y p e i i s u p e r c o n d u c t o r s ， w i l lh i n d e rt h ef l u xm o t i o n c e r t a i no fr e m n a n t m a g n e t i s m i na s u p e r c o n d u c t o r w i l lm a k ei tt oa s u p e t c o n d u c t i n g p e r m a n e n tm a g n e t t h eh i g hm a g n e t i cf i e l d ，h i g h ( b h ) m a xv a l u ea n d w e l l m a g n e t i cs t a b i l i t y a r e i m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c s f o ri t s p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s i nt h i st h e s i s ，m e l t t e x t u r e dy b c o b u l ks u p e r c o n d u c t o r s a r eu s e dt om a k eh i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n g ( h t s ) p e r m a n e n t m a g n e t sb ym a g n e t i z i n g i ti nd i f f e r e n t a p p l i e d f i e l d a t f i r s t ，t h e i n t e r a c t i o n so fh t sp e r m a n e n tm a g n e ta n da p p l i e df i e l da r e s t u d i e d ， t h a ti st h el e v i t a t i o nf o r c eo fy b c ob u l k so v e rt h en d f e bg u i d e w a y a n dt h ei n f l u e n c e so ft h ea p p l i e df i e l dt ot h eh t s p e r m a n e n tm a g n e t s e c o n d l y ，t h ep u l s e df i e l dm a g n e t i z a t i o np r o p e r t i e so fy b c ob u l k sa r e s t u d i e d a tl a s t ，t h ei n f l u e n c eo ft h es a m p l e st h i c k n e s s s h a p ea sw e l l a st h ed e n s i t yt ot h el e v i t a t i o nf o r c eo v e rt h en d f e bg u i d e w a ya n dt h e t r a p p e df l u xo f y b c ob u l ka r es t u d i e d f r o ma l la b o v es t u d i e s ，w ec a nc o n c l u d et h a t ： t h em a g n e t i cf i e l do fh t sp e r m a n e n t m a g n e t i s e a s i l y b e i n f l u e n c e d b y t h e a p p l i e d f i e l d w h e ni ti s p l a c e d i na h i g h a p p l i e df i e l d ，t h em a g n e t i cf i e l do fi tw i l lb ee n h a n c e do r d e c r e a s e d i np u l s e df i e l d m a g n e t i z a t i o nc o n d i t i o n ，w ef i n d s o m en e w p h e n o m e n ac h a r a c t e r i s t i c ，t h a ti s ，t h et r a p p e df l u x e so fy b c 0 b u l ki n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n g i n t e n s i t yo fa p p l i e df i e l du pt o a b o u t 1 9 t ，b u t d e c e a s eb e y o n dt h i sv a l u ea n dt h e s c a n n i n g d i s t r i b u t i o n m a po ft h et r a p p e df l u x e so nt h es u r f a c eo ft h e s u p e r c o n d u c t o r i sn o t s l i c k ， w h i c hi sd i f f e r e n tw i t h t h e s u p e r c o n d u c t o r sm a g n e t i z e di nc o n s t a n tm a g n e t i cf i e l da n dt h e n o r m a lp e r m a n e n tm a g n e t s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 1 页 f o rh t sm a g l e vv e h i c l e ，c y l i n d r i c a lb u l ks u p e r c o n d u c t o r s w i t ht h et h i c k n e s so f2 5 m ma r eb e t t e rt o p r o v i d ee n o u g h g u i d a n c ef o r c ea n dk e e pe n o u g hl e v i t a t i o nh e i g h tw h e nt h e ya r e f i e l dc o o l e da b o v et h en d f e bg u i d e w a y t h e t r a p p e df l u xa b i l i t yo fs u p e r c o n d u c t o r si si n f l u e n c e db yt h e w e a k1 i n k sa n dc r i t i c a lc u r r e n td e n s i t ya n dc a nb er e f l e c t e db y t h el e v i t a t i o nf o r c e i th a sn od i r e c t r e l a t i o n s h i p w i t hi t s d e n s i t y k e y w or d s ：y b c ob u l k h i g ht e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r ；h t s p e r m a n e n tm a g n e t ；t r a p p e d f l u x ；l e v i t a t i o nf o r c e ；p u l s e df i e l d m a g n e t i z a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 从19 8 6 年发现临界温度( 疋) 达到3 5 k 的氧化物超导体 l a 2 。b a 。c u 0 4 、19 8 7 年初合成液氮温区的超导体y b a 2 c u 3 0 7 s f y b c 0 ) f 2 l 那一激动人心的日子到现在已经十五年了。十多年来很多 丁。为1 0 0 k 以上的超导材料相继出现，如b i 2 s r 2 c a 2 c u 3 0 l2 。的丁。为 1 1 0 k t “l ，t 1 2 b a 2 c a 2 c u 3 0 l2 ，的7 c 为1 2 3 k e 7 l ，目前l 最高的是 h g b a c u o ，为1 3 5 k t ”，高压下可达1 6 5 k t ”。而且，人们在高温超 导电性的理论、高温超导体的物性、材料的制备手段、材料的特性 及应用等方面已经作了大量的工作，取得了很多重要结果。然而， 当前人们对高温超导体的理解和应用仍然还存在很多困难，高温超 导理论很不完善，对高温超导机理还没有一个统一的解释。理论和 应用研究中存在的困难给人们提出了极负挑战的研究和发展机会。 由华人科学家发现的y b c o 是二十世纪最重要的发现之一，奠 定了超导电性被人们广泛研究和大规模开发应用的基础。高温超导 体以其无可争辩的优越性能吸引了众多从事科学和技术研究领域的 科学家。目前，已经有很多高温超导器件在工程中得到应用，更多 的正在研究开发并且定将更加广泛地被从事基础研究的科学家和电 子系统研究的工程师们所优先采用。 高温超导体是典型的第1 i 类超导体，它不仅具有转变温度高的 特点，而且在超导态下还具有高临界电流密度山和高临界磁场h 。的 性质。另外，在材料的加工过程中，人为造成材料的许多不均匀性， 如缺陷、杂质等异样对高温超导体内部的磁通流动有阻碍作用，要 使穿过异常区的涡旋线离开必须提供能量。异常区制止涡旋线移动 的作用叫钉扎作用，这些异常区叫做钉扎中心。钉扎中心的存在是 将高温超导体用作超导永磁体的基础。而高温超导体内钉扎中心的 磁通钉扎强度是影响超导材料 的主要因素之一。一般工程应用基 本要求 lx 1 0 4 a c m 2 。美国超导公司制造的b i 系带材，其以值已 经达到1 2 7 x1 0 4 a c m 2 ( 7 7 k ，0 t ) ，该公司研制的b i 2 2 2 3 线圈在2 7 k 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 能产生2 16 t 的磁场。块材的工程应用在不考虑机械性能的前提下， 也完全取决于其临界电流密度 的高低，限制以提高的主要因素是 弱连接和磁通钉扎强度。为解决y b c o 的弱连接问题，人们先后提 出了熔融织构法( m e l t t e x t u r e d g r o w t h ，m t g ) 、液相处理工艺 ( l i q u i d p h a s ep r o c e s s i n g ，l p p ) 和粉末熔化处理法( p o w d e rm e l t i n g p r o c e s s ，p m p ) 等来制备y b c o 块材，并通过掺杂贵重金属来改善其 微观组织。用这些方法均得到 高于1 0 4 a c m 2 ( 7 7 k ，1 t ) 的y b c o 块 材。同时人们又通过化学掺杂、相分解技术和辐照等手段，引入附 加的磁通钉扎中心来进一步提高 值。j i n t ，0 1 等报道了一种能把块状 样品的厶提高到1 0 5 a c m 2 ( 7 7 k ，l t ) 的方法。n i p p o n 钢铁公司已于 1 9 9 1 年制备出直径4 5 r a m 、厚15 m m 的y b c o 块材，其 达到3 7 x 1 0 4 a c m 2 ( 7 7 k ，l t ) 1 。美国h o u s t o n 大学也于1 9 9 3 年制各出粒度d 为2 3 m m 的y b c o 单晶，其 值达到8 5 x 1 0 4 a c m 2 ( 7 7 k ) f ”】。国内 在1 9 9 4 年也已经制备出上高达8 6 x1 0 4 a c m 2 ( 7 7 3 k ，8 8 t ) 的y b c o 样品1 。采用中子和各种离子等对高兀样品进行辐照，v a nd o v e r 等用中子辐照y b c o 后使样品的j 。达到6 1 0 5 a c m 2 ( 7 7 k ，1 t ) l 。 c i v a l e 等用s n + 离子( 5 8 0 m e v ) 辐照y b c o 单晶，使其 达到 1 0 5 a c m 2 ( 7 7 k ，4 5 t ) t ”】。高温超导体块材为在液氮温区超导体的应用 展示了美好的前景。 超导技术的应用大致可分为两大类d 6 - 17 1 ：强电应用和弱电应用。 在强电领域，主要利用超导体的零电阻性及非理想第1 i 类超导 体所特有的高 和高日。来获得大电流( 无焦耳热损耗) 。品质良好的 高温超导y b c o 块材在磁屏蔽、电流引线、磁悬浮系统及超导永磁 体等方面有着广泛的应用前景l 】。在弱电方面，目前最重要的应用 就是利用超导体的约瑟夫森效应。超导计算机、制定电压标准都是 其比较典型的应用。 高温超导体的出现，使超导技术的应用出现了新的局面。由于 超导转变温度进入液氮温区，降低了技术难度，从而促进了这一技 术的迅猛发展。超导材料将是一个有着广阔应用前景的高科技领域， 或许可以说：2 0 世纪是超导电性发现、发展的世纪，而2 l 世纪将是 超导电性得到全面应用的世纪。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 1 高温超导y b c o 块材的制备 1 9 - 2 0 高温超导材料的实际应用要求材料在磁场下具有高的临界电流 密度 。而j 。强烈地依赖于材料的微观结构。s j i n t 2 , 1 等人最先采用 熔融织构生长( m t g ) 工艺制各y b c o 超导材料，有效地消除了晶粒 间的弱连接，并控制了结晶取向，使以大幅度提高，达到1 0 4 a c m 2 。 近年来，用m t g 工艺和顶部籽晶技术制备大尺寸大畴y b c o 块材工 艺有了很大的发展。 大畴y b c o 块材的胚料由名义化成分为y 18 b a 24 c u 34 0 ，的烧结 粉末压制而成。胚料被加热到它的包晶转变温度以上，y b a 2 c u 3 0 。 相熔化分解为y 2 b a c u 0 5 相和由b a 和c u 组成的液相。图1 1 是晶体 生长的工艺流程，将这种半固体的熔体按一定程序冷却，得到c 轴取 向的y b c o 晶粒，或称为畴。为了增加畴的尺寸和保证形成c 轴取 向，采用顶部籽晶技术。在适当的工艺条件下，籽晶不但保证样品 形成单一的结晶核心，而且控制晶粒的取向，使样品形成c 轴取向的 层状结构。通过使用籽晶技术和控制温度梯度使y b c o 块成长为和 样品尺寸一样大小的畴( 称为大畴或单畴) 。如图l - 2 所示。 p v 麓 囊 图1 1m t g 工艺流程 使用m t g 工艺制备的成分为s m b a c u o 的小单晶被作为生长大 畴y b c o 块的籽晶。在样品被加热之前，将籽晶放置在y b c o 胚料 的上表面，并使籽晶的a b 面与y b c o 块的表面平行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 图1 2 大畴y b c o 块材的宏观形貌 因为籽晶的包晶反应温度比胚料高出约6 0 ，所以当胚料加热 成半熔时，籽晶仍保持良好的结晶状态。在慢冷过程中籽晶下方的 y b a 2 c u 3 0 。开始成核长大，以一个方形的薄片形式外延，在( 1 0 0 ) 、( 0 1 0 ) 和( 0 0 1 ) 面上得到很好的成长形成大畴结构。籽晶正下方区域的部分 基本是沿c 轴生长。该区域内的y b a 2 c u 3 0 。基体上分布有很细小的 y 2 b a c u 0 5 相，并形成尺寸约为l m m 2 大小的方形亚畴结构。这些亚 畴组织之间的c 轴不取向度通常低于5o 。基体上细小的y 2 b a c u 0 5 的分布增加了样品的磁通钉扎中心，提高了临界电流密度 。为进 一步细化y 2 b a c u 0 5 相粒子，往往在原始超导粉末中加入o 5 1 重 量比的p t 0 2 。 1 2 非理想第1 i 类超导体的磁通钉扎 超导体超过临界温度r 。时变成正常态，温度降低到r 。时变成超 导态。同样若外加磁场达到日。时，超导体变成正常态，外加磁场减 少到低于日。时又变成超导态。超导态和正常态随兀、h 。和 的变 化是一个可逆过程。大多数纯金属超导元素就属于这种情况，称为 第1 类超导体。但第1 类超导体的l ( 只有几k ) 和风( 一般小于0 1 t ) 都不高，远不能满足实用化要求超导材料具有高的临界温度、高的 临界磁场和高的负载电流能力的标准。 为满足实用化的需要，在超导元素中添加第二种或更多种元素 使之形成合金或化合物，再进行适当的压力加工和热处理，使材料 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 产生位错网、晶格缺陷以及沉淀物等非均质相m 1 ，以提高超导体的 负载电流能力，许多超导合金和少数几种超导金属元素都属于这种 情况，称为第1 i 类超导体。 第1 类超导体和第类超导体的根本区别是：当外加磁场超过 某个值( 下临界磁场日c 1 ) 时，第1 i 类超导体内部会出现超导区和正常 区共存的状态，这种现象叫做第1 i 类超导体的混合态。也就是说， 第1 类超导体有两种状态存在，即超导态和正常态：而第1 i 类超导 体则存在三个态，即超导态( 也称m e i s s n e r 态) 、混合态和正常态。第 1 i 类超导体处于混合态时，虽然不再具有完全抗磁性，但还保持其 超导性。图1 3 给出了两类超导体的相图。 举= 尧摹一娄 图1 3 两类超导体的相图 当第1 i 类超导体处于混合态时，超导体中出现一些平行于外加 磁场的细圆柱形正常区，这种细圆柱形的正常区称为正常心， 7 一 磁通线就从这里通过。正常区内的磁通由涡旋 式的屏蔽环行电流维持，磁通量的大小是磁通量子以( 2 0 7 1 0 05 w b ) 的整数倍，围绕电流的流向与整体的表面抗磁电流相反。 第1 i 类超导体又有理想的第1 i 类超导体和非理想的第1 i 类超导 体之分。理想的第1 i 类超导体的磁化过程和第1 类超导体一样是可 逆的，它的上l 临界磁场很低，临界温度也不高，并且一经传输电流 就会因超导体内的磁通流动而产生流阻，所以，实用价值不大。 真正有实用价值的是非理想第1 i 类超导体。它在混合态传输的 电流只要不超过某一临界值( 通常用临界电流密度以表示) ，就不会出 i 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 现流阻，处于混合态的理想第1 l 类超导体出现流阻是由磁通线的流 动引起的，非理想第1 i 类超导体处于混合态传输电流( 3 0 s ) 后再缓慢撤走外场，完成励磁过程。实验中用到的脉冲场( p f ) 励磁可以看成是z f c 励磁的特殊情况。 1 3 高温超导永磁体的研究进展 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 9 8 6 年高温超导材料发现以后，人们希望将高温超导体制成超 导永磁体。高温超导永磁体采用的是非理想第1 i 类超导体，因为其 内部存在一定数量的钉扎中心，对磁通线的运动有阻碍作用，可以 俘获磁通，使超导体具有一定的剩磁而成为永磁体。这些钉扎中心 就是存在于超导体内部的晶格缺陷，包括孪晶界、堆垛层错、断层、 缺氧区、2 1 l 粒子以及2 1 1 1 2 3 粒子的交界面和晶格缺陷界面，此外， 1 2 3 晶粒中的c u 0 2 面之间的绝缘层实际上是超导体内固有的钉扎中 心 2 4 - 2 9 】o 采用熔融织构等生长方法制各的y b c o 等高温超导体，大大改 善了弱连接问题；高温超导b i 系材料在低温区( ，1 0 - ，i5 ，15 n o 的关系式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 从图3 4 还可看出，随着超导体俘获场的增加，在距离导轨上表 面中心较近的地方测得的悬浮力变化趋势要比在距离导轨上表面中 心较远的地方测得的悬浮力变化趋势快一些，这种结果也是由于永 磁导轨的磁场梯度随距离导轨的高度增加而减小造成的。 嚣 8 5 ；： 7 0 器 f 嚣 莹4 5 苦篓 3 0 磊 ： 0 5 图3 - 5 悬浮力测试前后超导体场强、导轨表面中心场强 随场冷高度的变化关系 h ( m m ) 图3 - 6 超导永磁体悬浮力测试前后磁通量的变化量 随场冷高度之间的关系 图3 5 为导轨表面中心场强、y b c o 俘获场和悬浮力测试完成后 y b c o 内的俘获场随场冷高度的变化关系曲线。图3 - 6 为超导永磁体 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 在悬浮力测试前后内部磁通量的变化量随场冷高度之间的关系，该 测试结果利用o r i g i n 软件进行三次线性拟合，得到拟合方程：y = a + b l + x + b 2 + x 2 + b 3 + x 。其中：a = 0 0 9 5 3 9 ；b l = o 0 0 1 4 6 ； b 2 = 1 8 l3 6 9 e - 4 ：b 3 = - 1 2 9 7 8 8 e 一6 。 从两个图中的曲线可以看出，在场冷位置比较接近导轨表面时， 悬浮力测试前后超导体内的磁通量变化不大，并且在距离导轨的距 离小于16 m m 处冷却时，悬浮力测试前的俘获磁通还略大于悬浮力 测试后的磁通，而随着场冷高度的增加，悬浮力测试完成以后的俘 获磁通变化曲线越来越偏离悬浮力测试前的俘获磁通变化曲线，并 且逐渐转变为大于后者。在图3 6 中可以很明显地看出，随着场冷高 度的提高，悬浮力测试前后超导永磁体内的磁通量变化越来越大。 这是因为当超导体的场冷位置较接近导轨表面时，场冷位置处导轨 磁场强度较强，超导体己经俘获了在外界场强一定的条件下的最大 的磁通，但由于超导体内部存在磁通蠕动等因素将影响超导永磁体 的磁稳定性，随着时间的延长，超导永磁体内磁通量将下降，在悬 浮力测试过程中。虽然超导永磁体会随着测试系统悬臂一起再次向 导轨运动，但由于外界磁场强度与超导永磁体的磁场可相比拟，而 且悬浮力测试过程中超导体在导轨高场区停留的时间较短，所以这 期间，外界磁场对超导永磁体自身的磁场影响比较小；当场冷高度 增大时，由导轨提供的外场强度按指数规律迅速减小，超导体在超 导转变的过程中，俘获的磁通也相应较小，在进行悬浮力测试的过 程中超导体运动到距离导轨表面较近的位置时，由于外界磁场比超 导体内磁场强度大得多，必然会又有一部分磁通被超导体俘获，从 而，超导体在悬浮力测试完成后的磁通量要大于悬浮力测试前的磁 通量，在用高斯计进行测量时表现为磁场强度的提高，并且，随着 场冷高度的提高，悬浮力测试过程中，超导体会再次俘获的磁通也 越多，悬浮力测试前后超导永磁体内部磁通量的变化也越大。 将图3 5 中悬浮力测试前后超导体在不同场冷高度情况下的场 强测量结果与导轨在该高度处场强比较可以发现，在场冷高度远离 导轨时，超导永磁体的场强在这两种情况下与导轨的场强相差比较 小，而且由于在较高位置场冷以后的超导体在完成悬浮力测试以后 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 会在距离导轨很近的位置再次俘获磁通，这时超导体的场强反而要 大于导轨的磁场，但当场冷高度比较接近导轨表面时，悬浮力测试 前后超导体的场强则要比导轨场强小得多。 2 、超导体在距离导轨表面中心不同高度处场冷后的悬浮力测试 结果 图3 7 给出了y b c o 超导体块材在零场冷( a ) 、距离导轨表面中 心9 0 m m ( b ) 、5 0 m m ( c ) 、35 m m ( d ) 、2 2 m m ( e ) 和4 m m ( o 位置场冷时的 悬浮力测试曲线。从图中可以看出：零场冷却后的超导体受到的导 轨的悬浮力作用要大于场冷的情况，并且场冷位置越接近导轨，冷 却以后测得的力越小。这是因为，超导体在场冷过程中将俘获磁通 而变成超导永磁体，并且它的磁场方向与永磁导轨磁场方向一致， 所以超导永磁体与永磁导轨之间有吸引相互作用，而且超导体从永 磁导轨上俘获的磁通越多，它们之间表现出的吸引力越强，这个吸 引力将部分地抵消它们之间的排斥力，在上述图线上就表现为随着 场冷高度的降低，超导体在距离导轨同一高度处受到的悬浮力逐渐 减小。当场冷高度进一步降低时，悬浮力曲线有一部分甚至位于横 坐标轴以下。但由于超导体固定在杜瓦内，而杜瓦有3 5 m m 的底厚， 所以超导体不能直接接触导轨冷却，否则，按照上面的悬浮力测试 曲线的发展趋势。当超导体能直接在导轨表面上场冷时，悬浮力测 试曲线有可能完全位于横坐标轴以下。 ( a ) z f c 亘童奎婆盔兰堡主塑窒皇兰篁迨塞 蔓! ! 夏 一 图3 7y b c o 超导体块材在不同场泠情况下的悬浮力测试曲线 上述曲线还反映了超导体的俘获磁通量对其悬浮刚度的影响， 悬浮刚度问题也是将高温超导体用于磁悬浮车系统中必须考虑的问 题之一。从图中可见，场冷以后的超导体，其悬浮力测试曲线随着 场冷高度的降低在距离导轨较近时变的很陡峭，这就说明，超导体 俘获了一部分磁通后，外场难以再进入到超导体内，表现在超导磁 悬浮车系统中就是车体在载重一定重量时不容易被压向导轨。而零 场冷却或场冷位置离导轨较远时，因为超导体内部开始没有俘获磁 通或俘获的磁通量较少，则悬浮力曲线变化相对较舒缓，当遇到比 较大的外场时，外场的磁力线就比较容易进入到超导体内，在超导 磁悬浮车系统中，则表现为车体在载重时会比较容易被压向导轨。 同时，随着场冷高度的降低。悬浮力测试曲线位于悬浮力= 0 直线以 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 下的部分越来越多，这是超导体在距离导轨很近的位置处场冷时俘 获了较多的磁通而与导轨之间有比较大的吸引力引起的。 3 、高温超导永磁体的磁场方向与永磁导轨相反 按照上述方法将y b c o 块材固定在液氮低温杜瓦的底部，将一 块5 0 r a m 5 0 m m 2 5 r a m 的方形n d f e b 永磁体放置到杜瓦的正下方， 并与杜瓦底保持一定的距离，此时直径为3 0 m m 的超导体大致位于 方形n d f e b 永磁体的中部，而且永磁体与永磁导轨上表面中心磁极 相反的一面正对杜瓦下底面，这样，当超导体俘获了方形永磁体的 磁通而成为超导永磁体后，从杜瓦下底测量的超导永磁体的磁极将 与导轨表面中心的磁极一样，当两者靠近时，将会产生排斥力。等 上述准备工作完成后，往杜瓦中注入液氮以冷却超导体，等超导体 得到充分冷却后，将永磁体从杜瓦下面撤走，用高斯计从杜瓦下底 部测量超导体从永磁体俘获的磁通量。然后，将杜瓦连同俘获有磁 通的超导体一起固定到高温超导磁悬浮测试系统的悬臂上进行悬浮 力的测试，等悬浮力测试完成以后，从测试系统中取下杜瓦，再次 从杜瓦下底测试超导体的磁场强度。 本组实验的目的是测量俘获了同一磁通的超导体在不同外场下 受到的力以及该外场对超导磁体内部原有磁通量的影响。实验共分 两个部分，一是超导体俘获比较小的与导轨磁场反向的磁通，即约 一o 0 5 9 t ( “”表示超导体俘获场与导轨磁场反向) ：二是超导体俘获 比较大的与导轨磁场反向的磁通，即约0 1 2 t ( “”表示的意义同上、， 通过控制方形永磁体距离杜瓦下底中心的距离来控制超导体获得俘 获场值。两部分的悬浮力测试都是利用磁悬浮测试系统的n d f e b 永 磁导轨提供的外场，通过控制悬臂的运动范围来控制外场的强弱。 各次实验中，超导体距离导轨上表面中心的最低距离包括 4 r a m 2 5 m m 的不同高度，每次测量距离变化l m m 。 图3 - 8 是用来给超导体励磁的方形n d f e b 永磁体表面的磁场分 布。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 图3 - 8 方形n d f e b 永磁体表面的磁场分布 表3 3 给出了在超导体俘获不同大小的与导轨反向的磁通时悬 浮力和悬浮力测试完成以后的磁通的测试结果。 表3 3 超导永磁体磁场方向与导轨反向时悬浮力和磁通的测试结果 d ( mr n )，。i x l ( n )f m - x 2 ( n )b l ( t )b 2 ( t )f z l = c ( n ) 49 9 41 12 90 0 6 8 60 0 3 8 310 1 6 59 4 81 0 3 20 0 6 5 3o 0 3 2 59 28 68 6 91 0 1 4 0 0 6 】5 0 0 2 4 28 5 2 77 8 39 4 80 0 5 7 30 o l5 08 0 4 87 5 78 9 20 0 58 20 0 0 7 5 07 3 7 97 1 78 3 20 0 4 8 60 0 0 2 2 16 8 9 l06 8 97 9 5o 0 4 6 4o 0 0 3 l l6 6 2 1 l6 2 17 0 80 0 4 2 3- 0 0 0 7 0 95 9 1 1 26 0 26 9 90 0 3 5 60 0 1 1 6 85 4 7 1 35 5 56 5 o0 0 2 0 60 0 16 7 55 3 4 1 4 5 2 66 0 2o 0 1 3 6 6- o 0 2 5 04 7 7 l55 0 76 3 2o 0 0 6 4 8一o 0 2 8 5 4 4 1 164 1 25 5 6o 0 0 3 50 0 3 0 84 3 2 l74 2 05 1 70 0 0 0 4 80 0 3 6 73 8 4 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 d ( m m )f 。x l ( n )f m i x 2 ( n )b i ( t )b 2 ( t )f z f c ( n ) 184 0 24 9 7 0 0 0 4 3 3 - o 0 3 9 63 6 2 193 8 24 6 80 0 0 6 4 7o 0 4 1 43 2 6 2 03 4 44 2 0 0 0 0 8 4 4 0 0 4 2 43 0 4 2 13 1 64 3 1o 0 1 0 20 0 4 4 32 7 8 2 22 9 6 3 4 40 0 l3 7 60 0 4 7 22 9 5 2 32 9 63 4 4o o l5 0 70 0 5 2 02 3 8 2 42 8 73 4 40 0 16 9- o 0 5 4 02 2 0 2 52 7 73 2 50 0 19 0- o 0 5 7 92 2 9 注：表中出现的“”表示超导体俘获的磁通磁场方向与导轨 中心表面的磁场方向相反 d 悬浮力测试时超导体结晶面距离导轨表面中心的高度 f 。 一俘获- 5 9 0 g 磁通的悬浮力测试结果的最大值 ，2 俘获- 12 0 0 g 磁通的悬浮力测试结果的最大值 丑l 俘获- 5 9 0 g 磁通的悬浮力测试完成以后超导体内的磁通量 b 2 俘获- 12 0 0 g 磁通的悬浮力测试完成以后超导体内的磁通量 f t f c 零场冷却以后。超导体在不同高度处受到的悬浮力 图3 - 9 当超导永磁体的磁场方向与导轨反向时 俘获场大小对悬浮力的影响 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 7 页 为便于比较，将上表中的测试结果绘成图形。图3 9 为超导体在 零场冷和分别俘获5 9 0 g 、1 2 0 0 g 时的悬浮力随测试高度的变化关系 曲线。图3 1 0 为悬浮力测试完成以后的磁通变化关系曲线。 从图3 9 可以看出，当超导体俘获场的方向与导轨磁场方向相反 时，它在距离导轨同一高度处受到的悬浮力将随着反向磁通量的增 大而增大，并且都将大于零场冷却时的悬浮力。超导体俘获磁通以 后变成超导永磁体，当其磁场方向与外场方向相反时，相当于两个 同极相对的永磁体，它们之间必然存在相互排斥的力的作用，这个 排斥力与超导体内超导区排斥外场产生的力叠加，会使超导体受到 的合力增大，这个合力就是悬浮力。随着测试高度的降低，固定在 杜瓦中的超导体也逐渐接近永磁导轨，外场逐渐增强，悬浮力相应 增大，超导体内原有的俘获磁通因为外场的增强而逐渐减小，甚至 反向而变成与永磁导轨的磁场方向一致，并且初始俘获场高的反而 最先实现磁通的反向。 d ( m m ) 图3 10 超导永磁体的磁场强度在悬浮力测试后 随悬浮力测试高度的变化曲线 由同向励磁的悬浮力测试曲线推断反向励磁的情况，虽然反向 励磁以后，超导体与永磁导轨之间的作用力会增强，这在高温超导 磁悬浮车系统中将导致车体悬浮高度的增加，进而可以降低对导轨 平整度的要求，但因为这时超导体与导轨之间减少了吸引相互作用， 这种悬浮是不稳定的，而且悬浮剐度也不够，车体很容易会因为超 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 导体内磁通方向的改变而向导轨下移。 图3 1 1 给出了超导体在零场冷、俘获磁通的方向与导轨磁场方 向一致和相反时与永磁导轨之间作用力的曲线。从这个图可以很清 楚地看出，超导体俘获反向磁通时，悬浮力明显增强，相反，俘获 正向磁通时，悬浮力明显减小，这个与前面的分析结果是一致的。 g a p ( m m ) 图3 - 1 l 超导永磁体的磁场方向与导轨一致和相反时 在导轨上的受力与z f c 情况下的比较 三、 悬浮力连续反复测试后超导体内的磁通变化 。 2 5 。1 2 0 。1 t 5 差。o 暮o ，皓 l 曼 。 。饽s 。 。5 t i 黑。 ” 图3 - l2 悬浮力连续反复测试过程中的超导体内的磁通量 随测试次数的变化关系 将一块高温超导体块材按照以前的方式固定到杜瓦下底部，先 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 9 页 零场冷却后再连同杜瓦一起固定到高温超导磁悬浮测试系统的可以 上下运动的悬臂上。下面就可以进行悬浮力的反复测试，每完成一 次测试后，分别记下相应的磁通、距离导轨5 m m 、1 0 m m 、1 5 m m 和 2 0 m m 处受到的悬浮力测试结果，由测试结果可以得到图3 1 2 和图 3 13 的曲线。 图3 1 2 的拟合曲线方程为 y ：a + b 1 x + b2 x2 + b x 3 + b4 x + b5 x 5 x 1 ，2 0 】 参数a b 。j b ：l b ， b 1 b 5 拟合值 0 0 8 5 8 8 l0 0 0 9 3 2 0 0 0 13 41 ，0 6 0 l e 44 1ll3 9 e - 66 13 5 5 3 e 8 从图3 1 2 可以发现，随着测试次数的增加，超导体内的磁通增 长速度逐渐减小增长量逐渐趋于稳定值，测试1 0 次以后，磁通量 按照每次仅有4 5 g 的增加量增加。按照这种趋势类推，超导体在这 种测试方式下的俘获磁通将会逐渐趋向一个稳定值，也就是说，如 果继续增加测试次数，超导内的磁通量将不会再随着测试次数的增 加而增大，而是达到在这种条件下的饱和值。超导体在零场冷却以 后进行第一次测试过程中磁通变化量最大，以后的反复测试过程， 虽然磁通也有变化，但变化量不大这一特点对于高温超导磁悬浮车 系统是有利的，因为这样以来，当车载重一定的情况下，车体的悬 浮高度就会很快趋向一个稳定值，而不会无限的向导轨靠近。保证 了车的安全、可靠的运行。 图3 13 为y b c o 超导体在悬浮力连续反复测试过程中，距离导 轨5 m m 、1 0 m m 、l5 r a m 和2 0 m m 处各次受到的悬浮力测试结果曲线。 由于导轨磁场梯度随着距离导轨表面中心垂直距离的增大而减小， 而悬浮力与磁场梯度之间满足下列关系： ，z o cd t t d z 这就造成了测试曲线在各点分布的不均匀性。磁场分布梯度大的地 方，在相同间隔下的悬浮力相差较大。由距离导轨同一点，不同次 的悬浮力结果可以看出，除在前两次的悬浮力变化比较大之外，随 后的测量，悬浮力变化很小，但由于超导体的俘获磁通量仍在继续 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 0 页 小量增加，所以每条曲线仍然略呈下降趋势。由于测试系统存在2 n 的误差，以及悬浮力测试频率相对较高，而超导体内的俘获磁通又 具有磁通蠕动等不稳定因素，所以，每个位置的测试曲线会有悬浮 力的上下起伏。 图3 - 13 悬浮力连续反复测试过程中超导体在四个不同位置 的受力随测试次数的变化关系 四、误差分析 在上述实验过程中，存在着来自多方面的误差： ( 1 ) 高温超导磁悬浮测试系统在进行悬浮力测试时系统本身存在 着2 n 的误差 ( 2 ) 杜瓦在安装到测试系统悬臂上的过程中，不能保证杜瓦每次 都安装在同一位置，这也会造成两次之间进行测试时永磁导轨提 供的外场存在差异 ( 3 ) 用手持高斯计测量磁场值时，高斯计本身具有一定的误差， 也存在人为的误差，由于超导体固定在杜瓦内底部，测量磁场分 布的过程中，虽然在杜瓦外底有对中心的大致定位，但在具体的 测量过程中，并不能保证每次测量的都是对超导体同一位置的磁 场强度，而且测量结果跟h a l l 探头与杜瓦下底的接触程度，手 压在探头上的力的大小都有关系 ( 4 ) 由于超导体存在磁通的不稳定性，所以，测试俘获磁通的时 柏如 一z一ep50e；a1 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 1 页 间间隔也对测量结果有一定的影响 基于以上误差来源，悬浮力测试结果除含有来自测试系统本身 的误差不容易消除之外，为尽量减少误差来源，一般超导体在杜瓦 内固定好以后，在一组实验进行过程中不取出超导体，并尽量保证 将杜瓦放置在测试系统悬臂的同一位置，保证超导体的受力来自永 磁导轨的同一位置处的磁场。 对于磁场测试的误差则可以通过在杜瓦底精确定位，或者用专 用的h a l l 探头，一直固定在特定的位置，都可以减少由于人的原因 引入的误差。 每次测量俘获磁通一般是在超导体离开外磁场以后同一时间间 隔内进行。 除测试系统自身带来的误差不易消除之外，为尽量减少人为的 误差，最好采用专门的仪器，通过对仪器在测试系统中的精确定位， 结果的测量可以通过仪器自动采集、处理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 2 页 第四章y b c o 块材在脉冲场下的 俘获磁通特性 熔融织构y b c o 超导体块材在超导态下能够俘获来自脉冲场的 磁通，而且因为脉冲场能够达到比恒定磁场高得多的场值，而且实 现起来比较容易，所以也是目前主要的对高温超导体励磁的方式之 一 4 7 - 55 l 。论文这一部分的实验就是利用j c k i i i a 快速脉冲充磁机产 生的不同大小的脉冲场对一块西3 0 m m 18 m m 的圆柱形y b c o 超导 体块材进行脉冲励磁，在此基础上，研究超导体在脉冲场下的俘获 磁通特性。有关j c k i i i a 快速脉冲充磁机的介绍参见3 2 节。通过 改变充磁机内电容的电压来控制磁体线圈内脉冲场值的大小，以实 现超导体励磁时的不同外场值。 、实验过程 1 、超导y b c 0 块材的俘获场与脉冲充磁次数的关系 图4 1 超导y b c o 块材的俘获场与脉冲充磁次数的关系 图4 - 1 是超导体的俘获磁通量随着脉冲充磁次数的变化关系曲 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 3 页 线。从图中可以看出，当用脉冲场对超导体进行三次充磁时，测得 的超导体的俘获磁通量达到一个极大值，所以在后面的脉冲励磁实 验中采用的就是对超导体进行连续三次脉冲充磁。 2 、脉冲励磁后超导体俘获场的测量 将高温超导体按照图2 - 9 的方式放置到线圈的中部，然后连同 线圈一起置于液氮低温杜瓦中( 如图2 1 0 ( a ) 所示) ，往杜瓦中注入液 氮直到淹没磁体线圈以后，将杜瓦固定到夹具上，装在夹具中心的 不锈钢螺杆可以直接顶住线圈内超导块上部的柱形木块，旋转螺杆 可以调节加在超导块上的力，以防止在电容瞬间放电时，超导块因 为抵抗磁通的进入而发生跳动，影响测试精度。起固定作用的夹具 跟重量足够的钳工台连接在一起，钳工台受到的重力足以抵消脉冲 场对超导体向上的力。 上