（电磁场与微波技术专业论文）深冷条件下高温超导体磁悬浮特性研究.pdf

堕塑奎婆查堂塑主塑塞竺堂堡堡塞j 曼上基 摘要 本文所研究的是深冷环境下熔融织构高温超导体块材y b a c u o 在水久 磁体n d f e b 作用下的悬浮性能。研究包括深冷环境下的温度控制；数据采 集；不同温度下悬浮力与悬浮间距的关系及一定悬浮间距下悬浮力与温度的 关系。 1 在g m 制冷机作用下实现深冷测试环境，并设计出固定于制冷机二级 冷头处的转变接头以固定高温超导体。使用l a b w i n d o w s c v i 开发平台开发 出深冷测试系统软件，实现温度的准确控制、跟踪，以及在一定悬浮间距下 悬浮力与温度数据的采集，同时对数据进行分析处理。通过“高温超导磁悬 浮测试系统”、制冷机与深冷测试系统软件的配合，将高温超导体冷却到不 同温度，研究在不同磁场( 即不同悬浮间距) 下的悬浮性能。 研究表明，当高温超导体的温度低于其临界温度时，在磁场中开始受到 力的作用；受到的悬浮力大小由温度和磁场梯度共同决定；即温度一定时， 悬浮间距越小，对应的磁场梯度越大，悬浮力就越大，力的大小与悬浮间距 成指数关系；而当悬浮间距一定时，温度越低，对应的悬浮力也越大，且超 导体刚进入超导态的一段温度区间悬浮力增大最快。 关键词：y b a c u o ；n d f e b ；悬浮力；g m 制冷机：g p i b 瓣 一矿纛 慧稍 霉一嚣一 是黼 堕壹窑塑查堂塑主塑塞皇堂篁堡塞 篁l l 里 _ _ _ ，_ 一。 a b s t r a c t t h ef i n d i n go fh 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 ) m a d ea l o to f s c i e n t i s t sr e s e a r c ha n ds t u d yi t ，t h e nc r i t i c a lt e m p e r a t u r eo fh t s w a so nt h e i n c r e a s e t h ei m p r o v e m e n to fp e r f o r m a n c eo fh t sm a k e si t sa p p l i c a t i o n i n m a g n e t i cl e v i t a t i o na n d o t h e ra r e a sb e c o m ee a s i e r i nt h i sp a p e r , t h el e v i t a t i o np e r f o r m a n c eo fm e l t t e x t u r e dg r o w t h ( m t g ) y b a c u ob u l ke f f e c t e do nn d f e bi 1 1t h ec o n d i t i o no fd e e pc 0 0 1 t h er e s e a r c h i n c l u d e s t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n g i n d e e p c o o l c o n d i t i o n ，d a t as a m p l i n g ， r e l a t i o n s h i pb e t w e e n l e v i t a t i o nf o r c ea n dl e v i t a t i o ng a pi nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ， a n dr e l a t i o n s h i pb e t w e e nl e v i t a t i o nf o r c ea n dt e m p e r a t u r ei nac e r t a i nl e v i t a t i o n g a p t h ed e e pc o o lc o n d i t i o ni s p r o v i d e db yg - mr e f r i g e r a t o r ，a n d ab e n t a d a p t e rc o n n e c t o rf i x e do ns e c o n ds t e pc o o l i n gh e a d i sd e s i g n e dt of i xy b a c u o b u l k a d e e p c o o lm e a s u r e m e n t s y s t e m s o f t w a r ei s d e v e l o p e du s i n g l a b w i n d o w s c v l ，w h i c hi su s e dt oc o n t r o la n dt r a c et e m p e r a t u r e ，s a m p l ed a t a o fl e v i t a t i o nf o r c ea n d t e m p e r a t u r ei nac e r t a i nl e v i t a t i o ng a p ，a n dp r o c e s sa n d a n a l y z e t h es a m p l e dd a t aa tt h es a m et i m e t h ey b a c u ob u l ki sc o o l e dd o w nt o d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n dt h el e v i t a t i o nf o r c ei sm e a s u r e da n d a n a l y z e du s i n g t h e h t sm a g l e vm e a s u r e m e n ts y s t e m ，t h eg - mr e f r i g e r a t o ra n dt h e d e e p c o o l m e a s u r e m e n t s y s t e m r e s u l t ss h o wt h a tt h el e v i t a t i o nf o r c ei s g e n e r a t e d b e t w e e nt h eh i g h t e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t o r a n dt h e m a g n e t i c f i e l du n d e rt h ec r i t i c a l t e m p e r a t u r e t h ev a l u eo f t h el e v i t a t i o nf o r c ei sd e t e r m i n e db yt h et e m p e r a t u r e a n dt h eg r a d i e n to f m a g n e t i cf i e l d t h a ti s t h es m a l l e ro ft h eg a p ，t h el a r g e ro f t h el e v i t a t i o nf o r c ew h e nt h et e m p e r a t u r ei sf i x e d ，a n dt h ev a l u eo ft h el e v i t a t i o n f o r c ei sa ne x p o n e n t i a lf u n c t i o no ft h eg a p w h e nt h eg a pi sf i x e d ，t h el o w e rt h e t e m p e r a t u r e ，t h el a r g e rt h el e v i t a t i o nf o r c ea n di n c r e a s e sq u i c k e rb e t w e e n9 0 k a n d8 0 k k e yw o r d s ：y b a c u o ；n d f e b ；l e v i t a t i o nf o r c e ；g - mr e f r i g e r a t o r ；g p i b 要查奎塑茎堂塑主受塞皇兰篁鲨塞 蔓! 至 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 第1 章绪论 1 1 超导的发晨阶段划分 自1 9 t 1 年翁内斯( h k o n n e s ) 发现超导电性至今【1 j ，人类对超导电 性的研究已经历经了九十多个春秋。这段历史大体可以分为以下三个阶段： 第一阶段：1 9 1 1 年到1 9 5 7 年，超导微观理论( 即b c s 理论) 问世，是人 类对超导电性的基本探索和认识阶段； 第二阶段：1 9 5 8 年到1 9 8 5 年，属于超导技术应用的准备阶段； 第三阶段：自1 9 8 6 年发现超导转变温度高于3 0 k 的超导材料后，人类 逐步转入超导技术的应用开发时代。 当然，以超导技术应用开发为一个时期的总特点的第三阶段，也还包括 人类对超导的认识及理论上的进步。比如当前一个突出的问题就是：对于新 发现的高临界温度氧化物超导材料而言，b c s 理论是否仍适用? 是需要改 进它还是需要全新的理论? 新超导材料的超导机制是否仍是电声机制? 还 是有另外的其他机制? 这些问题的讨论已经展开，但目前众说纷纭，没有定 论。 1 2 超辱的生晨筒史 超导电性是菜顿大学的翁内斯于1 9 1 1 年在实验中发现的。他在测量低 温下纯水银的电阻时发现，水银的电阻率并不像预料的那样随着温度降低而 连续减小，而是在4 1 5k 时突然全部消失。他对这一问题进一步研究，直 到1 9 1 3 年，终于证明了这一出乎意料的结果是确实的存在的。从此以后， 超导电性一词就被用来描述物质的这种新的状态。 1 9 1 6 年前后，翁内斯、西尔斯比( s i l s b e e ) 等人确认超导电现象会在 一定强度的电流或磁场下消失，即存在临界电流和临界磁场。 1 9 3 3 年，迈斯纳( m e i s s n e r ) 和奥克森菲尔德( o c h s e n f e l d ) 发现超导 体的“完全抗磁效应”，即磁场不能进入超导体内。从此，人们才认识到，超 导体不能看作只是电阻为零的理想导体，而应该是同时具有两个基本特性 理想导电性和完全抗磁性的新的物态。这两个基本特性是判断一种物态 是否是超导态的基本判据。 一 查查窭塑查兰塑圭鲤塞生堂丝丝塞 蔓兰至 _ - _ _ _ _ _ _ _ _ 。- _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ _ - - 一 1 9 3 4 年，哥特( g o r t e r ) 和卡西米尔( c a s i m i r ) 提出二流体( 超导电子 流体、正常电子流体) 模型，解释了许多超导电现象。 1 9 3 4 年一1 9 3 6 年，哥特、卡西米尔和拉特杰尔( r u t g e r s ) 在开色姆 ( k e e s o m ) 工作的基础上，发展了解释超导现象的热力学理论。 1 9 3 5 年，伦敦( f l o n d o n 和h l o n d o n ) 兄弟基于二流体模型给出 伦敦方程，预言了磁场在超导体表面的穿透现象，较好地解释了零电阻现象 及完全抗磁性，奠定了超导电性电动力学基础。 1 9 5 0 年，皮帕尔德( p i p p a r d ) 提出“非局域效应”及“相干长度”的概念， 改进了伦敦理论。苏联金兹堡( g i n z b u r g ) 和朗道( l a n d a u ) 在朗道二级相 变理论的基础上，发表了金兹堡一朗道方程，成为影响很大的超导唯象理论。 该理论后来发展为具有微观理论基础的金兹堡一朗道一阿布里柯索夫 ( a b r i k o s o v ) 戈尔柯夫( g o r k o v ) ( g i a g ) 超导理论。其中阿布里柯索 夫提出了将超导体区分为i 类和i i 类的判据。 1 9 5 2 年，发现钒三硅( v 3 s i ) ( 疋= 1 7 k ) 、铌三锡( n b 3 s n ) ( 瓦= 1 8 3 k ) 等i i 类超导体。它们属于爿l5 结构化合物，除临界温度较高外，还具有很高 的临界电流和临界磁场。这一发现开始了超导强电应用的研究。1 9 6 0 年出 现了第一个超导强磁体；6 0 年代初制成超导单极电机。 1 9 5 7 年，巴丁( b a r d e e n ) 、库珀( c o o p e r ) 和施里弗( s e h r i e f f e r ) 合作， 在已有实验事实的基础上，建立b c s 微观理论，给出了传统超导电现象的 机制。该理论认为超导电流的载流子，是由于电子声子相互作用而产生的 互相吸引的“库珀电子对”。 1 9 6 0 年尼可尔( n i c 0 1 ) 及1 9 6 1 年戴维( d e a v e r ) 和菲尔巴( f a i r b a n k ) 等人，分别进行了隧道实验和磁通量子化实验，进一步证实了b c s 理论中 库珀对的存在。 1 9 6 0 年，贾埃弗( o i a e v e r ) 在超导体一绝缘体( 薄层) 一正常导体隧 道结( s i n ) 和超导体一绝缘体( 薄层) 一超导体隧道结( s i s ) 中发现“单 电子隧道效应”。 1 9 6 2 年，约瑟夫森( j o s e p h s o n ) 从理论上预言( s i s ) 隧道结中存在奇 异的交流和直流隧道效应。他的理论很快得到实验证实，被称为“约瑟夫森 效应”。此后，出现了利用隧道结特性制成的超导量子干涉器件( s q u i d ) ， 开始了广泛的超导弱电应用研究。 1 9 7 3 年，益维勒( g a v a l e r ) 做出t o = 2 3 2 k 的铌三锗( n b 3 0 e ) 超导薄 一 要塞壅塑查堂塑主堑塞皇堂堡垒壅 曼兰垦 ，_ _ - _ _ - _ _ _ - _ _ - _ _ - - - _ _ - _ _ - _ - 一一 膜。 1 9 7 9 年，s t e g l i s h 等人发现重费米子超导体，使物理学界为之轰动。 1 9 8 0 年，a n d r e s 发现有机超导体，开辟了超导研究的另一新天地a 到 8 0 年代初，共发现包括元素、合金、化合物等在内的超导材料千余种。其 中特别是n t f f i 、n b 3 s n 等几种i i 类超导材料成型工艺的研究成功促进了超 导在很多科学技术领域的应用。 但是，截止到1 9 8 6 年，已发现的超导体转变温度都非常低，只能在液 氨温度( t 4 2 k ) 下工作，极少数可在使用不便的液氢温度( 1 8 k ) 下工 作。这样的超导体对于任何实际应用都是十分困难的。因此，寻找更高临界 温度的超导体是人们梦寐以求的目标，超导l 临界温度的提高成为超导研究最 为重要的标志之一。 1 9 8 6 年在超导的发展史上具有特殊的意义，在这一年开创了超导发展 的一个崭新阶段。1 9 8 6 年1 月，i b m 公司苏黎士实验室的德国物理学家柏 诺兹( g e o r g eb e d n o r z ) 和瑞士物理学家缪勒( a l e xm f l l l e r ) 发现了一种新 的陶瓷超导体【2 1 。这是一种钡、镧和铜的氧化物，其起始转变温度可达3 5 k 以上，比1 9 7 3 年发现并在当时仍保持纪录的铌三锗( n b 3 g e ) 的临界温度 ( 疋= 2 3 2 k ) 高出十多度。 由于缪勒和柏诺兹的开创性工作，导致了在全世界范围内探索高温超导 体的热潮。1 9 8 6 年底。日本东京大学、美国休斯顿大学和中国科学院物理 研究所，发表了各自独立研究的结果，用锶( s r ) 代替l a b a c u o 体系中的 钡( b a ) 获得高于4 0 k 的转变温度。朱经武小组在高压下，使l a b a c u o 体 系的转变温度提高到5 2 5 k 。 1 9 8 7 年2 月6 日，美国朱经武小组和吴茂昆小组合作i3 1 ，在y b a c u o 体系中观察到起始转变温度高达9 8 k 的超导现象。1 9 8 7 年2 月2 1 日，中国 科学院物理所发现11 0 k 的起始转变温度的y b a c u o 体系超导体并首次公布 了其成分1 4 l 。同年3 月4 日，日本科技厅金属材料研究所和中国北京大学各 自独立制出零电阻温度为9 3 k 的y b a c u o 超导体。不久许多的研究都确定 了y b a c u o 体系的晶体结构，其化学成分为y b a 2 c u 3 0 7 - 6 口，其中y 可以被 多种稀土元素所代替。 1 9 8 8 年春，又发现了两个不含稀土元素的高温超导体体系，即 b i s r c a c u o 和t i b a c a c u o 。特别是在t 1 b a c a c u o 体系中，找到了零电阻温 度为1 2 5 k 的超导相t 1 2 b a 2 c a 2 c u 3 0 l o 。与1 9 8 6 年以前相比，超导临界温度 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 提高了1 0 0 k i s 9 1 。图1 1 显示了超导体发现的时间历程。 图1 - 1 超导体发现的时间历程 2 0 0 0 年9 月1 4 日出版的自然杂志上报道说，德国科学家奥格斯堡 大学的约亨曼哈特及其同事在y b c o 中加入少量的钙，然后将未加钙的超 导体和加钙的超导体制成膜，层叠起来就制成了新型的超导体，其临界电流 比同类普通超导线路高出1 0 倍之多。 一一 堕塞壅婆查堂塑主墅塞竺堂垡丝塞 塑! 翌 1 3 高强超导在磁悬浮方面的应用 由于第二类高温超导体具有钉扎作用的独特性能，使得它在磁悬浮应用 方面( 飞轮储能，超导磁悬浮列车等) 有着重要意义”。 德国已研制成了1 0 k w h 的飞轮储能系统。法国g r e n o b l e 的科学研究中 心已采用西7 0 m m 的y b c o 材料进行了高温超导轴承的研制，其悬浮力达 2 1 5 n 、轴承转速达7 0 0 转分。法国的o s w a l d 公司做成了多个y b c o 电机， 其最大功率超过2 0 k w h 。 高温超导磁悬浮列车是超导领域一大研究方向【t t - t 9 l 。磁悬浮列车是2 l 世纪速度高、噪声低的地面交通工具，发展前景很好。普通列车由于是靠车 轮转动时与轨道的摩擦进行推进，则当列车的速度高达3 0 0 千米小时，这 时列车受到的空气阻力比推进的摩擦力还要大，因而普通轮轨列车的速度受 到了限制。而超导技术的发展能够使列车与地面实现非接触支撑及非粘着推 进，这就是新型的地面交通工具一磁悬浮列车。西南交通大学超导技术研究 所已于2 0 0 0 年1 2 月3 1 日在成都研制成功世纪第一辆载人高温超导磁悬浮 实验车，该车全部采用国产熔融织构法制备的y b a c u o 高温超导体块材， 在车体空载时的悬浮高度3 5 毫米，承载5 人时的悬浮高度大于2 0 毫米，此 时总悬浮重量约为5 3 0 k g 。较之于日本的电动悬浮式( e d l ) 低温超导磁悬 浮列车，具有静止悬浮，制造和运行成本低等优点。而德国的电磁悬浮( e m l ) 式常导磁悬浮列车，其悬浮高度较低( 8 r a m ) ，因而对轨道的平整度要求较 高，并且该车悬浮高度和导向的控制系统较为复杂，实施起来难度较大，费 用较高。 1 4 课一的来蠢 就查阅的文献来看，目前对高温超导体y b c o 的研究，大多是在液氮 温度( 7 7 k ) 进行 2 0 - 2 7 ，例如测量高温超导体的临界电流密度凡，了解材料 的性能；对磁悬浮力和冻结磁场的研究；超导体在磁场下稳定悬浮的研究； 印度的从3 0 0 k 到1 5 k 的自动化测试对铜的热电能进行了研究【船1 ；在研究中， 还将涉及到温度的测量与控制，而低温装置中存在各种漏热，这就将影响到 测量的精度。 目前我们所研制出的高温超导磁悬浮实验车采用的是国产熔融织构法 y b a c u o 高温超导体块材，其临界温度为9 2 k ，使其能够在液氮温区( 7 7 k ) 堕堕窒堕查堂塑主塑塞竺堂堡迨室 蔓皇至 j 鬲i 1 f y b c 0 1 西药i 磊丽五甭_ - 页再万雨蚕云7 7 k 丽目前我们的高温超 工作。而最佳性能的发挥，则并不是在 ，即目前我们的商龃趟 导磁悬浮车的性能在温度更低的情况下，将会有更好的悬浮性能。对高温超 导体在不同温度下具体性能参数的研究，则是此课题提出的目的。 通过5 wg m 制冷机获得低于液氮温度的低温环境，对高温超导体 ( y b a c u 0 ) 的悬浮性能在不同温度下进行研究，则在设计新的高温超导磁 悬浮车的时候，就可以根据研究所得到的超导体性能( 悬浮力) 与温度的关 系数据，选择最佳的工作点温度，相应的设计出合适的制冷系统，使磁悬浮 列车的发展更上一层楼 2 9 , 3 0 l 。 1 5 研究内容 在g m 制冷机提供低温环境的前提下，为获得从常温到制冷机所能达 到的最低温之间的准确温度，通过l a b w i n d o w s c v i 软件开发平台编程，对 温度数据进行采集与控制，从而使高温超导体( y b a c u o ) 能够冷却到任一 温度并进行测试。 在某一设定温度下，测试高温超导体与永久磁体( n d f e b ) 在不同悬浮 间距下的悬浮性能并绘出关系曲线，即高温超导体在某一设定温度下悬浮力 与悬浮间距( 磁场) 的关系。通过对温度的不同设定，进行相同条件的测试， 可得到高温超导体在不同温度下最大悬浮力与温度的关系，将所得数据与理 论数据进行分析比较，可得到高温超导体的最佳工作温度。 将高温超导体与永久磁体固定在某一设定间距，即悬浮间距一定，将高 温超导体降温，在降低温度的过程中，通过编制的软件，进行悬浮力随温度 变化的自动测试。可得到高温超导体与永久磁体在确定高度下，悬浮力随温 度变化的关系。 一 堕堕窭塑查兰堕主堡塞皇堂堡迨窒 塑三里 _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ - i _ _ _ _ _ 一 第2 章高温超导及悬浮原理 1 9 1 1 年，翁内斯在4 1 5 k 的汞中首次发现超导电现象：导体的电阻消失 了，电流在其中无损的流动。这引起了科学家们的极大兴趣【j “”1 。 1 9 8 6 年高温超导体的发现，使得之前十多年气氛沉闷的超导研究领域波 澜骤起。从1 9 8 6 年底引发了一场席卷全球的超导热。在这次超导热的推动 之下，物理学家们相继取得了丰硕的成果，所研制出的超导体的临界温度 ( 兀) 均突破1 9 7 3 年的2 3 2 k ，到达常压下的1 3 5 k 及高压下的1 6 4 k ，从 而进入高温超导的时代。 一 号：。：二：二：古：+ 一2 专 二一一刍一 ；一_ ：，二，。二j 一：二二= ：二= 二f i - j 一一一j 量0 l = 曼誓：六芸焉：j ；_ ： # _ = j 二：- 二：= 二：二? 鼻兰鬻之掌暑! = 等譬? 妒j ：? ? = 褂：孟j 。，二三詈鼍：羔妻。 新发现的氧化物陶瓷超导材料，除去瓦高之外，还有很多不同于一般传 统超导材料的特点：其晶体结构大多属于畸变的层状钙钛矿结构；其成分多 是以铜为主要元素的多元金属氧化物，氧含量具有不确定性；具有陶瓷性质； 氧化物中的金属元素，例如含铜材料中的铜可能同时存在多种化学价，且化 合物中的大多数金属元素在一定范围内可以全部或部分地被其它金属元素 所替代而不明显改变或仍然具有超导电性；在正常态时，往往有较高的电阻 率。例如一些y b a c u o 体系的高温超导样品的电阻率处于金属和半导体之 间，严格说不应属于导体。不过，所有高温超导材料的能带论计算表明，它 们都存在穿越费米面的不满的价态能带结构，这表明它们亦具有金属导体的 性质。 2 1 赢皇再的应用前景 高温超导材料的研制成功，目前正引起能源、交通、工业、医疗、生物、 电子和军事等领域的重大变革，到时，通过铺设在海底的超导电缆输送电力， 可以使有限的地球资源得到充分的利用；处于衰退状态的机电设备也将得以 起死回升而重登历史舞台；超导核聚变将为人类提供取之不尽的清洁的新能 堕塑窭婆盔堂塑主塑塞竺堂堡迨塞 蔓旦垦 _ _ _ _ _ 一 一- 源；性能优越的超导磁流体动力发电装置将使发电厂的结构得以更新：风驰 电掣般的超导磁悬浮列车使地球上拥挤的交通状况大为改观；超导计算机以 其更快的开关速度、更低的功率消耗、更高的集成度而成为新一代计算机的 主角；新颖独特的超导电子器件将导致电子学领域划时代的变革；高灵敏度 的超导磁探测器为地球物理探矿提供可靠的技术保障。此外，超导技术将使 地震预报技术、医学l 临床应用、针灸机理研究、生物磁学学科的发展、强磁 场下物理及生物变异学科之兴起、军事应用等科学和技术领域产生天翻地覆 的变化。 2 2 超导体的分类 根据超导体在磁场中的磁化行为的不同，将其分为两类：第一类超导体 和第二类超导体。非过渡金属元素和大部分过渡金属体均属于第一类。第二 类超导体中有金属元素铌、钒，还有许多合金和化合物。 对于第一类超导体，当温度高于临界温度疋时为正常态，当温度低于 临界温度兀则转变为超导态。同样，处于超导态的超导体，当外加磁场达 到临界磁场鼠时，超导体转变为超常态，而当外加磁场降低到低于鼠时， 超导体又可重新转变为超导态。此类超导体的瓦和风都不高，通常凰值 小于0 1 t ，瓦也仅几k 。要实用化，需要超导体有高的临界磁场和高的临 界温度以及高的电流负载能力。 第二类超导体为合金或化合物，通过适当的压力加工和热处理，使材料 中产生位错、晶格缺陷以及沉淀物等非均质相而获得。此类超导体具有两个 临界磁场的特性：下i 临界磁场( 日c 1 ) 和上i 临界磁场( 日c 2 ) 。 第一类和第二类超导体的性质，最明显的不同反映在它们的磁化曲线 中。如图2 - l 所示，二者的磁化曲线是用退磁因子为零的样品所测得。第二 类超导体在磁场较低时和第一类一样，也具有完全抗磁性，超过凰l 之后， 磁通开始向样品穿透，磁化强度逐渐减小，到上l 2 时为零，直到风2 以前仍 保持完全导电性。在凰1 和风2 之间的状态称为混合态，此时的超导体不具 有完全抗磁性，但仍然保持其超导电性。 一西查窭堕查兰塑主塑塞皇堂堡迨壅 笺! 里 _ - _ _ - 一 0 卜完全抗磁性 卜一完全抗磁性0 - l 一正常态 | 一混合态0 一正常态 图2 - 1 第一类超导体和第二类超导体的磁化曲线 2 3 非曩簟二羹超导体 第一类 第二类 理想第二类超导体的上临界磁场凰2 与第一类超导体的临界磁场日c 差不 多，且临界温度兀也不高，所以实用价值不高。 真正有实用价值的是非理想的第二类超导体( 如表2 - 1 所示) ，此课题 所研究的高温超导体( y b a c u o ) 即为此类。 非理想第二类超导体具有很高的无阻传输电流的能力( 或称无阻载流能 力) 。它存在体临界电流密度 。非理想第二类超导体是一种比理想第二类 超导体更为复杂的超导体，所谓“非理想”的主要特征是：磁化曲线是不可逆 的；混合态的磁通格子分布是非均匀的；这种非均匀磁通格子受到来自晶体 缺陷的“钉扎”作用等等。由于非理想第二类超导体的磁化曲线形状类似硬磁 材科。故又称硬超导体。 人为的加工变形、热处理、掺杂等方式可使超导材料中产生许多不均匀 性( 缺陷、杂质等异常) 。这些异常是制止磁通流动的主要因素。理想第二 类超导体和非理想第二类超导体的区别在于后者具有缺陷，缺陷作用在磁通 线上的力叫做钉扎力( 有时也称之为镜象力) ，缺陷就是钉扎中心；非理想 第二类超导体样品处于混合态阶段( 后k 1 1 2 0 2 4 商量超导磁量浮原理 4 0 】 超导磁悬浮的机理是超导体的完全抗磁性，即迈斯纳效应：当r l 时， 在超导体内部b = 0 。可见，超导体在处于超导态时，将阻止磁场的穿过，从 而实现超导体在磁场中的悬浮。实际上，当超导体处于或进入磁场时将在 超导体的表面产生感应电流，同时，感应电流又产生感应磁场，与外磁场大 小相等方向相反，这等效于产生了一个外磁场的镜象磁场，这两个磁场互相 排斥。 单靠迈斯纳效应和感应磁场产生的排斥是不能实现超导体在磁场中的 稳定悬浮的。第二类超导体处于混合态时，既保持其超导电性，又存在来自 晶体缺陷的“钉扎”作用，这使得超导体在阻止部分外磁场的穿过时产生悬浮 力，部分磁场由于钉扎作用穿过超导体而使悬浮稳定。 超导体在磁场中的悬浮力f 为： f = v p - i t d v ( 2 1 ) 其中材为磁化强度，日为磁场强度，y 为超导体体积。课题中所研究的只 是在垂直方向上的作用力，因此，只考虑z 方向上的受力可得： 只= d d zi u z ，j l + 肘y 日y + m ：日：h 矿( 2 - 2 ) 对于所使用的永久磁体n d f e b ，在与y b a c u o 的轴线在同一直线时，只考 e 吨y 警砒警( 2 - 3 ) 其中m = m v 为超导体磁矩。 由 m = a j ，r( 2 - 4 ) 其中a 为一常数，对于圆柱单畴样品，4 取值为l 3 ； 为超导体临界电流 密度：r 为感应电流环半径。对于圆柱样品，由公式( 2 3 ) 和( 2 - 4 ) 公式可得： 只叫矗矿警= 删m 警( 2 - 5 ) 其中h 为样品厚度。可见，悬浮力的大小与样品尺寸( 半径和厚度) ，临界 电流密度和磁鬈梯度密切相关。当温度下降时，临界电流密度相应地增大( 图 2 - 2 ) ，因此，对于特定的高温超导体，悬浮力也与温度直接相关，即温度越 低，悬浮力越大。对于研究中所使用y b a c u o 高温超导体块材，尺寸已经 确定，因此公式可简化为： t 。以粤( 2 6 ) p 昌 u 、- ， 一。 h o h ( t ) 图2 - 2 y b a c u o 的临界电流密度( ) 与温度( r ) 和磁场( 卫) 的关系 堕查窭堕查兰塑主塑塞竺兰堡堡塞 兰! 兰里 - p 一一 第3 章高温超导磁悬浮测试系统 “高温超导磁悬浮测试系统”是此课题进行研究所使用的主要测试系统4 ( 如图3 - l 所示) 。 5 6 1 2 9 图3 1 高温超导磁浮测试系统原理图 l 伺服电机2 垂直导轨3 箱式立柱4 悬臂5 垂直力传感器6 紧固架7 液氨低温容器 8 永磁体轨道9 自驱动平台l o 水平力传感器1 l 底座1 2 三维驱动单元 该测试系统由二轴数控位移装置、传感技术、工控机数据采集和处理系 统、工控机自动控制及其系统软件组成。二轴数控位移装置有一个箱式立柱 及安装在箱式立柱上的导轨和滚珠丝杠副，驱动由步进电机或伺服电机提供 动力。垂直方向和水平方向上位移量由步进电机和伺服电机同步提供。两个 力传感器测量力学量，温度和磁场分别由温度传感器和霍耳探头测量。数据 采集和处理、电机自动控制由工控机及其系统软件支持。由工控机( 数据采 集卡以及电机控制卡，多功能卡) 和系统软件实现对系统的全自动测量和控 制。采用图形化用户界面，可完全在计算机上进行测试操作。 该测试系统可以测量： i 单块及多块超导样品在永磁导轨上的悬浮力； 2 单块及多块超导样品在永磁导轨上的导向力： 3 5 8 加 9 2 3 4 7 8 n 查塞壅堕查堂塑圭壁塞竺兰壁堡塞 j ! ! ! 里 3 三维磁场扫描。 测试系统悬浮力测试界面如图3 - 2 所示。 图3 - 3 导向力测试系统主界面 图3 - 4 三维磁场扫描测试系统主界面 西- i 交通大拳硬士研究生学位论文塑! ! 里 第4 章g m 制冷机 g m 制冷机是1 9 5 5 年由吉福特( w e g i f f o r d ) 和麦克马洪( h o m c m a h o n ) 两人提出循环原理并研制成功的一种制冷机。 g m 制冷机是采用绝热放气制冷的一种小型制冷机，它以氮气作工质， 两级制冷，由压缩机单元和膨胀机单元两大部分组成。使膨胀机工作的能量 来自并受控于压缩机单元，二者用绕性软管和自密封接头连接。制冷机系统 的工作流程如图4 。l 。 4 1 压机 压缩机单元；膨胀机单元 图4 - 1制冷机系统工作流程图 压缩机由压缩泵；冷却系统；油分离系统：电气控制系统：超压报警系 统及仪表系统组成。 压簟系是整个系统的心脏。其作用主要是将氮气从低压压缩到高压。内 部装有温度控制器当泵内工作温度超过9 0 皿时，会自动停机，以保护电机， 使其不至于因过热而烧毁。 冷却系统与压缩泵体焊为体，其目的在于：一方面冷却压缩泵体，另 一方面冷却压缩出来的高温氮气。压机后面板下端安置进出水口，用以通 自来水进行冷却。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 皂垦 油分离系统：经冷却的氮气经油分离器，将氨气中的油分离出来，使不 含油的氮气进入吸附系统，而油则通过回油阀进入泵体的油池内。油分离器 主要由滤芯及玻璃纤维组成。回油阀装在前面板上同时具有旁通作用。 超压报警系统：主要起安全保护作用，当由于系统故障或管道堵塞时， 高压超过1 7 5a t ( a t ：工程大气压，1a t = 1k g f c m 2 = 9 8 0 6 6 5 1 0 4p a ) 则整 个制冷机系统停止运转，同时报警，电铃响。只有当故障排除后压机才能重 新起动。此部分由压力继电器与电铃组成，压力继电器的超压范围可以调节， 打开护盖，松开紧固螺钉，调节螺母向旋紧方向转动，可使超压范围增加。 反之可使超压范围缩小。 电气控制系统：它装在压机体内，控制压缩机及膨胀机的起动和停止。 其中装有热继电器，当工作电流大于5 a 时，将自动停机，以保护压机的电 机。当因热继电器起作用而导致停机，需排除故障后再开机，并按下复位开 关。 仪表系统：由压力表及积时器组成，装在前面板上，压力表的平衡压力 为1 2 3a t 。积时器记录压缩机的累计工作时间。 压缩机工作原理( 如图4 2 所示) ： 堕塑奎塑杰兰塑主堑塞塞堂篁望壅 蔓! ! 里 _ - _ _ - _ _ - - _ _ _ _ _ - _ h _ - _ - _ - _ _ - _ _ 图4 - 2 压缩机控制电路 1 p a 按下，c i 接通，c l - 1 ，c 2 2 吸合，膨胀机工作。 2 y a 按下，c o 接通，c o ，c o 吸合，压缩机工作。 3 压力过大，压力继电器常闭头断开，电铃响一报警，同时膨胀机和 压缩机停止工作。 4 t a 为停机按钮，j s 为积时器。 4 2 一胀机 压缩机和膨胀机两大部分组成了整个制冷机系统。对膨胀机来说，压缩 机提供了一个一定压差下的稳定气流。膨胀机的作用则是把压缩机提供的高 压气体在绝热情况下泄放产生致冷效应，它是最终提供冷量的地方( 如图 4 3 所示) 。 图4 - 3 膨胀机主要组成部分示意图 4 2 1 一胀机组成结构 膨胀机由驱动组件、气阀组件、气缸组件、活塞组件、真空系统和温度 计组成。 驱动组件用以驱动与活塞连着的框架，从而实现活塞的上下往复运动。 真空系统包括吸附盒、辐射屏和真空阀门，用以实现气缸、冷头与外界的绝 热。 4 2 2 一胀机工作原理 膨胀机产生冷量是基于放气制冷的原理。具体过程如下： 1 进气过程 由压缩机提供的高压无油氨气，经过吸附器中活性炭常温纯化，流入膨 胀机。电机驱动的气阀打开后，高压气体穿过蓄冷器进入气缸底部，在此过 程中与比气体温度低的回热器填料交换热量使气体温度降低。此为进气过程 西南窭堕查兰塑主塑塞生堂垡堡窭 篁! 旦里 _ - _ _ - 一 ( 如图4 4 所示) 。 2 排气过程 在进气过程进行的同时，电机也带动活塞上移。气缸中的气体与压缩机 提供的高压气体压力基本一致时关闭进气阀。待活塞移到上死点时又打开气 阀使膨胀机中气体绝热放气使自身温度降低并冷却气缸和蓄冷器( 这就是排 气过程，如图4 5 所示) 。 至活塞下移到进气阀开启前的位置时就完成一个制冷循环。就这样，膨 胀机连续不断的产生冷量。 图4 - 4 膨胀机进气过程图4 - 5 膨胀机排气过程 4 3 一胀机内静螬构及冷头转弯接头设计 g m 制冷机所提供的仅仅是一个深冷的低温环境，它不能对温度进行 准确控制，并且，高温超导体( y b a c u o ) 不能在制冷机的二级冷头上的直 接安装和固定。所以，要实现对高温超导体性能在某一准确温度的测试，需 要对“高温超导磁悬浮测试系统”和制冷机进行一定的改进及局部调整。 由图4 - 4 和图4 5 可以看出，在膨胀机的二级冷头上没有固定装置， 且二级冷头的形状和方向不利于确定高温超导体( y b a c u o ) 与永久磁体 ( n d f e b ) 的相对位置( 参见图4 7 ) ，其中，永久磁体固定在“高温超导磁 悬浮测试系统”上，并可在测试系统软件的控制下作垂直方向上的往复运动， 以改变与超导体之间的距离。对膨胀机的改进如图4 - 6 所示。为了便于确定 酉查窒塑查堂塑主塑塞塞堂焦丝塞 塑呈旦垦 磊i 历五再i 芡磊磊丽磊菊面趸_ 磊面蔗甭i ：i 再三焉温超导磁悬浮测试系统” 超导体与永久磁体的相对位置，将膨胀机平放于“商温超导磁悬浮删诫系现。 底座上( 如图4 - 7 所示) ，并通过调节使超导体位于永久磁体正下方。 头 图4 - 6 膨胀机内部结构示意图 图4 - 6 中还可看出，为使超导体与永久磁体之间的距离尽可能小，膨胀 机真空罩处于超导体上方的部分做成了平面并尽可能靠近超导体的上表面， 平面部分有一开口，用盖板进行密封( 盖板可拆卸) ，便于高温超导体的装 拆及与永久磁体的定位。 图4 7 局部调整后的“高温超导磁悬浮测试装置”原理图 _ j 堕查壅里查堂塑主堕塞皇兰堡垒塞 蔓! ! 要 石i 丽万瓦页磊再面聂面丽_ 彳再i 羁i 丽度，因此要能够实现温度g m 制冷机只能将温度降低，而不能控制温厦，凼此妥驼够买现温厦 定点控制需要在制冷机二级冷头上绕上康铜丝，并联接到温度控制器，通过 温度控制器对冷头在需要时进行加热从而实现温度控制。同时，在冷头转弯 接头上最靠近高温超导体处固定温度传感器，并使其与转弯接头充分接触以 监测到接头处的温度，为温度的控制提供参考数据。 设计转弯接头的目的是当制冷机平放于“高温超导磁悬浮测试系统”底 座上时，延伸冷头并改变其指向( 垂直向上) ，以便于使放置的高温超导体 结晶面能够朝上，从而与固定在测试系统上的永久磁体正对。 转弯接头的最初设计如图4 8 所示。 放置超导体 图4 8 转弯接头的最初设计示意图 由上图可以看出，转弯接头通过9 0 度的转角，正好使放置在平放的膨胀机 中的高温超导体能够与固定在测试系统上的永久磁体正对。转弯接头由水平 部分和垂直部分组成，水平部分与制冷机的二级冷头连接，垂直部分通过位 于底部的螺柱与水平部分的螺孔相连接，从而实现9 0 度的转角。温度计固 定在转弯接头水平部分与制冷机二级冷头连接处。 实验证明，使用这种设计方案所测得的实验结果并不理想。首先，转弯 接头水平部分和垂直部分的连接不够紧密，虽然两部分相接触的面都比较光 亘查窭堕查堂塑堡塞皇堂垡堡塞 蔓! 兰垦 磊_ 冱晤再再正西莉i 军鬲面_ 聂面五鬲五函丽蚕云看丽，在垂直分部底部所车滑，但由于加工精度等原因，接触面的光滑程度有限，在垂直分邵腻鄙所牛 出的螺柱不能保证与接触面垂直，因此，在连接这两个部分时不可能做到非 常紧密，甚至出现点接触的情况。这在很大程度上影响了从制冷机二级冷头 到超导体间的热传导。 其次，温度计安装位置距离超导体较远，所测得的结果也就与超导体的 实际温度有所差别。 再有，超导体与转弯接头垂直部分的接触只有一个很浅的凹槽，加上超 导体下底面本身的不平整，也使得接触不够充分，导致对高温超导体的冷却 不够。以上原因都将使所测得的高温超导体的性能不能反应真实情况，因为 对超导体所测得的温度不是它的真实温度。 导体 图4 - 9 转弯接头的改进设计示意图 针对转弯接头最初设计方案的缺陷，图4 - 9 对其进行了改进。接头的垂 直部分底部不再使用螺柱进行连接而改为圆柱，同时在接头的水平部分是一 个比圆柱略小的圆孔，用压机将垂直部分的圆柱压入水平部分的圆孔之中， 。 通过过盈配合使两个部分的紧密连接充分接触，并且接触的有效面积较之于 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 第一种方案明显增大；接头垂直部分放置高温超导体的凹槽加深，使其深度 比超导体的厚度略小，放置超导体时在其周围绕上铟丝填满超导体与凹槽之 间的空隙并压紧超导体，这样就可以使得超导体得到更为充分的冷却；为了 能尽可能真实地反应超导体所处的温度，将温度计固定在接头垂直部分的上 部，以靠近超导体的