Modelling the critical parameters of high temperature superconductor devices in transient states

Abstract

Wiedza na temat zachowania się urządzeń nadprzewodnikowych w stanach przejściowych jest bardzo istotna z punktu widzenia stabilności pracy i niezbędna zarówno przy ich projektowaniu, jak i eksploatacji. Zaburzenia stanu nadprzewodnictwa mogą być wywołane przez różne przyczyny (mechaniczne, elektromagnetyczne, cieplne), ale w efekcie końcowym ujawniają się jako dodatkowe źródła ciepła w elemencie nadprzewodzącym. Źródła te powodują bardzo szybki wzrost lokalnej temperatury, co prowadzi często do zniszczenia elementu nadprzewodnikowego. Odpowiedź urządzenia nadprzewodzącego na zmiany jego parametrów krytycznych w stanach przejściowych pozwala na projektowanie bardziej niezawodnych aplikacji. Monografia posiada dwa cele – poznawczy i aplikacyjny. Pierwszym jest udoskonalenie metod obliczania zmian parametrów krytycznych urządzeń nadprzewodnikowych wykonanych z nadprzewodników wysokotemperaturowych w stanach nieustalonych, drugim celem jest opracowanie układu pomiarowego do bezkontaktowego pomiaru temperatury w cienkowarstwowych taśmach nadprzewodnikowych HTS. Do osiągnięcia pierwszego celu posłużyły opracowane algorytmy oraz komputerowe modele urządzeń nadprzewodnikowych z masywnymi elementami HTS oraz taśmami nadprzewodzącymi drugiej generacji. Opracowane hybrydowe modele mogą być stosowane do symulacji numerycznych urządzeń w geometrii dwuwymiarowej i z symetrią osiową. Zaproponowane modele są przydatne do analizy takich urządzeń jak: nadprzewodzące ograniczniki prądu, przepusty prądowe oraz taśmy HTS drugiej generacji. Opracowane algorytmy pozwalają na sprzężenie trzech zagadnień podczas obliczeń numerycznych. Są to zagadnienia: przepływu prądu, rozkładu pola magnetycznego oraz rozpływu ciepła. Modele hybrydowe oparte są na dwuwymiarowych równaniach dyfuzji dla pól elektromagnetycznych i cieplnych, uwzględniających nieliniowe zmiany parametrów materiałów nadprzewodnikowych od temperatury, indukcji magnetycznej i natężenia prądu. Algorytmy obliczeniowe sprzęgają ze sobą zagadnienia przepływu prądu, pola elektromagnetycznego i pola temperatur poprzez zastosowanie programowania obiektowego w języku LUA. Wyniki przeprowadzonych obliczeń porównane zostały z wynikami eksperymentów pomiarowych w celach weryfikacji opracowanych modeli i algorytmów. Podczas przeprowadzanych eksperymentów dla taśm HTS 2G zbadany został wpływ charakteru impulsu zaburzającego na sposób i prędkość rozchodzenia się strefy rezystywnej. Porównanie wyników pomiarów oraz obliczeń numerycznych potwierdziło poprawność opracowanych algorytmów i modeli hybrydowych. Drugi cel badawczy został osiągnięty poprzez skonstruowanie układu pomiarowego do detekcji zmian temperatury cienkowarstwowej taśmy HTS w stanach przejściowych. Układ pomiarowy zawiera fotodiody podczerwone jako sensory oraz sondy napięciowe do weryfikacji otrzymanych wyników pomiarowych. Sygnał z fotodiod został wzmocniony i zarejestrowany przez skomputeryzowany system akwizycji danych. Do pomiaru zostały użyte diody z czasem odpowiedzi równym 5 ns co pozwoliło rejestrować zmiany temperatury taśmy w stanach nieustalonych. Układ pomiarowy oparty o fotodiody ma charakter prototypowy, a przyjęte w nim rozwiązania i zgromadzone doświadczenia mogą stanowić podstawę budowy takich układów do zastosowań przemysłowych. Uzyskane wyniki badań stanowią wkład w kriogeniczne techniki pomiarowe oraz teorię stabilności urządzeń nadprzewodnikowych. Elementy te są niezbędne w procesie projektowania urządzeń nadprzewodnikowych oraz przy ich eksploatacji.