矩形双面超导薄膜开关的关断特性研究

摘要

超导开关是利用超导体的零电阻特性实现闭环运行，并利用超导体失超产生失超电阻的原理实现断路作用的开关。在当前的研究和应用中，超导开关多采用低温超导材料和第一代Bi系高温超导带材制作而成。低温超导材料的临界温度较低，一般情况工作在液氦温区，运行成本较高;Bi系高温超导带材由于强烈的各向异性使得其临界电流易受磁场的影响;而矩形双面超导薄膜可以工作在液氮环境，制作简便，体积小重量轻，不易受到磁场影响，所以本文采用矩形双面超导薄膜作为超导开关原件。
　　本文首先引出了矩形双面超导薄膜开关的概念，即开关单元被设计在铝酸镧(LaAlO3)基底层的两面，这种双面结构具有非常重要的物理意义:首先区别于圆形超导薄膜，矩形超导薄膜具有一定的长度和宽度，相应电压、电流等级的超导开关可以通过超导薄膜的线性连接实现，无需设计导电图形，设计步骤简便;其次当双面的超导开关同时工作时可以进一步提高超导开关的集成度，减少铝酸镧(LaAlO3)基底层的用量。
　　本文设计了一个大小为4cm×1cm，以铝酸镧(LaAlO3)为基底层的矩形双面结构薄膜开关模块，通过仿真和实验对矩形双面结构薄膜开关的关断特性进行了分析。首先，对矩形双面超导薄膜正常工作状态的载流模式进行仿真研究，仿真表明矩形双面超导薄膜交流损耗低，具有十分良好的载流性能。其次，对4cm×1cm尺寸的矩形双面超导薄膜开关模块进行50V，70V，90V三种冲击电压情况下的短路实验，实验发现矩形双面超导薄膜开关失超传播特性良好，具有较好的失超同步特性，并计算了多组冲击电压等级下，该开关的失超传播速度。再次，对矩形双面超导薄膜开关进行了在较高冲击电压下的失超回复实验，得到了该开关在不同电压下的失超回复时间。结果发现，矩形双面超导薄膜的回复时间和通入的冲击电压幅值，以及通入的冲击电压时间成正比例关系。最后，在总结了上述实验理论分析的基础上，再对薄膜开关进行了多种冲击电压下的短路关断实验，通过计算超导开关的失超传播速度，得到了此开关的最大可承受电压。
　　论文对矩形双面超导薄膜开关的正常工作、失超关断、失超回复这三个工作过程均做出了全面的研究，基本掌握了矩形双面超导薄膜开关的失超特性，验证了超导薄膜开关实现断路作用的可行性。目前由于大面积超导薄膜的制备还存在技术和成本问题，所以超导薄膜主要应用在低电压等级的实验测试中，但是随着科研水平的提高，超导薄膜在高电压等级的研究中依然具有广阔的发展前景。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 超导体的特性

1．3 超导体的临界参量

1．4 国内外研究现状

1．4．1 超导开关的研究现状

1．4．2 YBCO超导薄膜相关特-眭的研究现状

1．5 矩形双面超导薄膜开关的提出

1．6 论文工作与内容安排

第2章 矩形双面超导薄膜的仿真模型建立与结果分析

2．1 Comsol Multiphysics软件简介

2．2 多场量控制方程

2．2．1 温度场控制方程

2．2．2 电磁场控制方程

2．3 两种不同仿真模型的建立

2．4 仿真结果分析

2．4．1 超导开关的磁场及热场仿真结果分析

2．4．2 两种不同的载流模式仿真结果分析

2．4．3 失超温度的变化及失超速度传播分析

2．5 本章小结

第3章 矩形双面超导薄膜开关的材料结构与实验设备

3．1 矩形双面超导薄膜开关的结构与制作

3．1．1 矩形双面超导薄膜开关的材料结构

3．1．2 矩形双面超导薄膜开关的设计

3．2 短路实验所需的相关实验设备

3．3 本章小结

第4章 矩形双面超导薄膜开关的失超传播特性研究

4．1 矩形双面超导薄膜开关临界电流的测试

4．2 短路实验研究

4．2．1 矩形双面超导薄膜开关的初步短路实验

4．2．2 矩形双面超导薄膜的多组短路实验

4．3 矩形双面超导薄膜开关的失超传播速度

4．4 本章小结

第5章 矩形双面超导薄膜开关的回复实验研究

5．1 矩形双面超导薄膜开关的回复实验

5．1．1 矩形双面超导薄膜开关的回复实验电路设计

5．1．2 失超回复的影响因素

5．1．3 实验结果与分析

5．2 矩形双面超导薄膜开关的最大可承受电压

5．3 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间科研成果