收藏本站
《兰州大学》 2017年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

极端环境光学测量技术及其在超导材料特性研究中的应用

刘聪  
【摘要】:超导材料因其独特的物理特性如零电阻效应、迈斯纳效应、约瑟夫森效应等在能源、交通和微电子等领域具有广泛的应用前景。目前采用高温超导薄膜和超导带材如由Bi系、及Y系涂层导体制造的超导量子干涉仪(SQUID)、超导限流器、强磁场磁体等已实现商业化生产,有力的推动了科学研究和生产生活。在这些应用当中超导材料通常处在极低温、电、磁复杂环境,其热失配及自身所承载的电磁力往往导致超导材料发生变形,而已有的研究表明超导体的三个基本参数即临界温度,临界电流密度和临界磁场均与力学变形有关。以临界电流为例,早在1976年研究人员发现拉伸变形会显著降低3Nb Sn超导材料的临界电流密度。后来的观测表明,各种力学变形(拉、弯、扭)均能引起临界电流密度的退化。然而目前,针对这个问题的研究集中在材料表面变形(应变片测量)与临界电流相关性的研究中,而对于材料变形过程中的内部损伤产生、演化及其对临界电流的影响鲜有研究。究其原因在于目前常用的材料内部损伤观测技术如X射线、CT扫描等均难以在此极端环境下有效开展。因此,在极低温、电磁复杂环境下寻找新的超导材料内部损伤的观测方法即磁光技术将有望解决超导材料临界电流随应变退化这一困扰学术界多年的关键科学问题。本博士学位论文主要包括两个部分的内容,即超导薄膜样品的全场热、磁应力实验测量技术及相关的理论框架和超导带材内部损伤原位观测技术的研究,取得的主要成果如下:(1)首先从理论上分析了低温空气介质对CGS系统曲率测量及其误差因子的影响,其次针对多层介质对薄膜曲率测量的影响,提出一个修正因子,采用空气、水和硅油三种介质进行对比实验,验证了修正因子的正确性。最后考虑到某些特殊情形如薄膜模量过大、载荷相对较小时会得到稀疏的干涉条纹,造成薄膜应力分析的难度过大且准确性降低,提出一种相位参数化的干涉条纹倍增技术,相比传统的条纹倍增技术,该技术不仅实现了任意倍的条纹倍增,且可实现直流分量和主频分量的有效分离。采用传统的光测弹性力学技术,验证了该方法的可靠性。(2)建立了包含磁体力薄膜类材料的曲率与应力之间关系的理论计算模型,讨论了轴对称和非轴对称情形下其与Stoney理论框架的关系与区别。结果表明,含有磁体力的薄膜应力与曲率的理论模型是难以退化到基于错配应变得到的Stoney理论模型。在完成理论模型的基础上,研制一套具有观察窗(直径50mm)、制冷机直接冷却(最低至30K)、温度连续变化可控(控温精度0.1K)且包括外加励磁装置(磁场精度0.1mT)的光学测试系统,将相干梯度敏感方法(CGS)拓展至低温、磁场复杂环境,从而实现了超导薄膜材料在冷却过程和磁化过程中全场的曲率测量。通过方法改进,首次获得了超导薄膜在脉冲磁场作用下的全场应力分布及其随时间的演化特征,为超导薄膜在脉冲磁场环境下的应用安全分析提供了参考依据。(3)参与研制极低温、电、磁、力多环境场超导材料特性测试仪器,负责设计一种光学对焦技术,解决了显微物镜在冷却过程中因抽真空产生压差和低温材料变形引起的对焦困难。与此同时,提出一种自适应方法用于亮度-磁场标定,成功解决了非均匀照明下的磁场标定这一难题。在此基础上,针对YBCO涂层导体开展了二类典型实验。第一,研究了拉伸应变对其临界态稳定性的影响。超导带材零场冷却至超导态后,施加一定的外磁场在其边缘形成稳定的临界态。逐步增大拉伸应变至0.6%后,局部磁通在混合态区域开始成核移动。随着应变的进一步加大,局部磁通从混合态区向迈斯纳区域进行穿透,直至Meissner区域完全破坏。实验结果表明,磁通穿透深度满足应变的指数规律,且其穿透速度的量级在1um/s至1mm/s之间。第二,研究了超导带材载流时自场下拉伸应变引起的损伤及失超相关规律。超导带材零场冷却至超导态后,施加100A的恒定电流,逐步增大拉伸应变至0.62%时,磁通开始移动,随着应变进一步增加,磁通向迈斯纳区穿透,最后整体迅速失超。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TM26

【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 ;2006年光学测量技术讲座及研讨会成功召开[J];红外与激光工程;2006年03期
2 徐丽雯;超高压氢的绝缘-金属相变及光学测量技术[J];物理;1993年04期
3 尤政;纳米光学测量技术[J];仪器仪表学报;1995年S1期
4 范瑞瑛,范正修;薄膜应力分析及一些测量结果[J];光学仪器;2001年Z1期
5 王成,张贵彦,马莹,肖孟超,钱龙生;薄膜应力测量方法研究[J];激光与光电子学进展;2004年09期
6 王成,马莹,张贵彦,肖孟超,甘志宏,缪同群,钱龙生;薄膜应力激光测量方法分析[J];激光技术;2005年01期
7 邵淑英,范正修,范瑞瑛,邵建达;薄膜应力研究[J];激光与光电子学进展;2005年01期
8 陈焘;罗崇泰;;薄膜应力的研究进展[J];真空与低温;2006年02期
9 王华清;薛唯;卢维强;李夏;张楠;;基于哈特曼原理的薄膜应力在线测量系统[J];红外与激光工程;2009年01期
10 王生钊;张丹;;薄膜应力测量方法进展[J];南阳理工学院学报;2012年04期
中国重要会议论文全文数据库 前9条
1 冯雪;;薄膜(涂层)力学行为的实时、全场测量方法与技术[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
2 陈焘;罗崇泰;;薄膜应力研究进展[A];第六届全国表面工程学术会议暨首届青年表面工程学术论坛论文集[C];2006年
3 陈焘;罗崇泰;;薄膜应力研究进展[A];第六届全国表面工程学术会议论文集[C];2006年
4 陈焘;罗崇泰;王多书;;TiO_2/Na_3AlF_6单多层光学薄膜应力的研究[A];第九届真空冶金与表面工程学术会议论文摘要集[C];2009年
5 陈焘;罗崇泰;王多书;熊玉卿;;TiO_2/Na_3AlF_6光学薄膜应力的研究[A];TFC’09全国薄膜技术学术研讨会论文摘要集[C];2009年
6 李健;M.Wuttig;;用薄膜内耗仪测定薄膜应力[A];第七届全国内耗学术会议论文集[C];2003年
7 韦文生;王天民;张春熹;李国华;韩和相;丁琨;;掺杂nc-Si:H薄膜应力特性的研究[A];2002年材料科学与工程新进展(下)——2002年中国材料研讨会论文集[C];2002年
8 陈焘;罗崇泰;王多书;刘宏开;王济洲;马锋;;离子束辅助和真空退火对硫化锌薄膜应力的影响[A];中国真空学会2008年学术年会论文摘要集[C];2008年
9 陈焘;罗崇泰;王多书;刘宏开;王济洲;马锋;;离子束辅助沉积和真空退火对硫化锌薄膜应力的影响[A];中国真空学会2008学术年会论文集[C];2008年
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 刘聪;极端环境光学测量技术及其在超导材料特性研究中的应用[D];兰州大学;2017年
2 辛灿杰;超导材料低温力学实验及多场性能测试仪器原型机研制中的若干关键技术研究[D];兰州大学;2017年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 高春雪;光学薄膜应力的分布与控制研究[D];东南大学;2015年
中国知网广告投放
相关机构
>东南大学
>兰州大学
相关作者
>辛灿杰 >高春雪
>刘聪
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026