高场内插多场耦合特性及性能退化机理研究

The development of a high magnetic field superconducting magnet (>25 T) require a high field HTS insert. Since the REBCO HTS tape with the excellent current transpotation characteristics to withstand high tensile stress under the high field, it has become the first choice conductor for ultra-high-field insert. Recently, the experimental results have found a sharp degradation in the performance of their critical parameters, and abnormal traning effect on the basis of the conventional impregnation technique to build the high field insert operated at high magnetic field. This project focuses on the characteristics of multi-physics coupling characteristics and the mechanism of critical current degradation in the REBCO tape and insert during the operating magnetic field over than 25T. Based on the structure, intrinsic stability, and the complex structure generation of the shield current, stress-strain distribution features of REBCO, the multi-scale homogenization theory and technology are employed to reveal its multiphysics field coupling to result in the current degradation. The rules of the current degradation and instability generated in the ultra-high-field insert are studied. It will reveal the function relationship among the electromagnetic parameters and structure arguements under the different structural stress and electromagnetic variation of structural parameters, the displacement of high stress - strain interpolation within design criteria. The design theory and methods, fabrication technique, dynamic stabilized method and dispersion stress structure are proposed to solve key scientific problem which are related to the insert for the ultrahigh applications. Also, it can provide theoretical and technical foundation for the development of the extreme conditions of big science facilities.

研制高磁场(>25T)超导磁体需要高场内插线圈。由于REBCO高温超导线材在高场下优良电流传输特性及具有承受较高拉伸应力特征，已成为目前超高场内插首选线材。最近实验研究发现基于传统的浸渍与制备工艺研制的高场内插，在高磁场下运行，其载流性能急剧退化，并出现反常锻炼效应。本项目重点研究REBCO高磁场内插磁体在超过25T中心场时的多物理场耦合特性及临界电流退化的机理，基于REBCO带材结构特征、本征稳定性、屏蔽电流和复杂结构应力-应变分布特征，以多尺度均匀化理论，微观观测和低温测试结合，揭示其多场耦合产生临界参量退化本征特性，辨明内插电流退化和不稳定性产生机理，探明不同结构应力与电磁结构参数的变化规律，形成高应力-应变内插设计准则，在此基础提出设计理论与方法、制备工艺和稳定化及分散应力结构，以解决超高场超导磁体系统应用关键的科学与技术问题，为极端条件大科学设施研制提供理论与技术基础。

针对>25T极高场超导磁体的应用需求，本项目着重研究REBCO高磁场内插磁体在超过25T中心场时的多物理场耦合特性及临界电流退化的机理，研究不同结构应力与电磁结构参数的变化规律，形成高应力-应变内插设计准则，在此基础提出设计理论与方法和制备工艺，为极端条件大科学设施研制提供理论与技术基础。本项目开展了完成了层状结构REBCO带材电磁问题和热耦合的物理和数学模型以及内插感应电流变化规律，完成了电磁耦合和结构耦合程序；完成了内插磁体的稳定性分析方法与建模以及系统测量系统设计；完成测试样品的选择和设计、样品支持和传感器的选取以及相关的低温实验；研究了复合导体临界电流和电流分布的测试基准和测试方法和25T内插磁体的设计。建立了包括弹塑性数值模型研究应力/应变分析的数值模型以及内插热机械与电机械均匀化层次结构模型，借助于研制的测量REBCO带材应力/应变和临界电流密度的定标关系装置开展了定标实验。完成REBCO内插在极高磁场条件下电动和电机械特性的理论，建立相关的分析解和数值解技术。研究了在不同的工艺条件下建造的内插磁体的性能，设计并建造了含有背景超导磁体和测试样品磁体的低温杜瓦系统。对超导磁体中的电流分布、扩散规律等进行了分析计算，并针对不同冷却条件下（传导冷和低温液体浸泡）散热条件分别进行了分析计算，实验测试结果与理论分析吻合较好。测试了不同背景场条件下采用不同绕线工艺的内插磁体的电气特性，并与仿真结果进行了对比，获得了超导磁体在高场情况下的精确电磁-热-机械耦合计算模型。建立了涂层导体的光学观测方法，完善了内插模型线圈建造技术，并应用我们建立的理论和发展的分析方法，成功获得了27.2 T世界第二高的全超导磁体，实现了极高场内插磁体的理论分析和建造技术的突破。. 自本项目支持以来，先后实现了19.4 T、24T、25.7T和27.2T全超导磁体， 实现了我国20T以上极高场超导磁体零的突破并达到国际先进水平，本项目的实施为我国的极高场超导磁体的推广应用奠定了坚实的基础。

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