Измерение и анализ гистерезисных потерь в многоволоконном сверхпроводящем проводе MgB2

  • Игорь Анатольевич Руднев
  • Руслан Германович Батулин
  • Савелий Артемович Хохорин
  • Светлана Владимировна Веселова
Ключевые слова: диборид магния, высокотемпературные сверхпроводники второго поколения, анизотропия, намагниченность, гистерезисные потери

Аннотация

В статье представлены результаты измерений намагниченности и гистерезисных потерь многожильного сверхпроводящего провода MgB2 (ASG Superconductors) при двух ориентациях магнитного поля: параллельно и перпендикулярно оси проводника. Температура измерений варьировалась в диапазоне 5–45 К. Кривые намагниченности сверхпроводящей фракции MgB2 получены путем вычитания из значений намагниченности всего образца намагниченности ферромагнитной матрицы, измеренной при температуре 45 K выше критической температуры сверхпроводника. Из кривых намагниченности получены зависимости гистерезисных энергетических потерь от напряженности внешнего магнитного поля Qh(Н). Показано, что при ориентации поля перпендикулярно оси провода MgB2 и характерных значениях внешнего поля гистерезисные потери в два раза больше. Предложены метод расчета гистерезисных потерь и методы их уменьшения, позволяющие оптимизировать установки ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и магнитно-резонансной томографии (МРТ), сверхпроводящие двигатели и генераторы с использованием сверхпроводящего провода MgB2 от ASG Superconductors.

Биографии авторов

Игорь Анатольевич Руднев

доктор физ.-мат. наук, заведующий кафедрой физики твердого тела и наносистем, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва; ведущий научный сотрудник, Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, Россия.

Руслан Германович Батулин

кандидат физ.-мат наук, доцент кафедры общей физики, руководитель НИЛ «Квантовые симуляторы», Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, Россия.

Савелий Артемович Хохорин

лаборант кафедры общей физики, Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, Россия.

Светлана Владимировна Веселова

аспирант кафедры физики твердого тела и наносистем, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», Москва; младший научный сотрудник, Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань, Россия.

Литература

1. Chow C.C.T., Ainslie M.D., Chau K.T. High Temperature Superconducting Rotating Electrical Machines: An Overview. – Energy Reports, 2023, vol. 9, pp. 1124–1156, DOI: 10.1016/j.egyr.2022.11.173.
2. Park S.I. et al. Comparison of Superconducting Generator with 2G HTS and MgB2 Wires. – Progress in Superconductivity and Cryogenics, 2013, vol. 15, No. 4, pp. 48–52, DOI: 10.9714/psac.2013. 15.4.048.
3. Nam G.-D. et al. Design and Comparative Analysis of MgB2 and YBCO Wire-Based-Superconducting Wind Power Generators. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2018, vol. 28, No. 3, p. 5205605, DOI: 10.1109/TASC.2018.2797929.
4. Sumption M. AC Loss of Superconducting Materials in Motors and Generators for Very High-Density Motors and Generators for Hybrid-Electric Aircraft. – AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium, 2018, DOI: 10.2514/6.2018-5001.
5. Kalsi S.S. et al. Motors Employing ReBCO CORC and MgB2 Superconductors for AC Stator Windings. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2021, vol. 31(9), DOI: 10.1109/TASC.2021.3113574.
6. Raza A., Ali S.S. Superconductors for Magnetic Imaging Resonance Applications. – Materials Research Foundations, 2022, vol. 132, pp. 230–255, DOI: 10.21741/9781644902110-13.
7. Nagamatsu J. et al. Superconductivity at 39 K in Magnesium Diboride. – Nature, 2001, No. 410, pp. 63–64, DOI: 10.1038/35065039.
8. Антипов В.Н., Грозов А.Д., Иванова А.В. Cверхпроводниковые ветрогенераторы мощностью 10 МВт и более (обзор зарубежных публикаций). – Электричество, 2020, № 10, c. 59–67.
9. Xi X.X. et al. MgB2 Thin Films by Hybrid Physical-Chemical Vapor Deposition. – Physica C: Superconductivity, vol. 456, № 1-2, pp. 22–37, DOI: 10.1016/j.physc.2007.01.029.
10. Xi X. MgB2 Thin Films. – Superconductor Science and Technology, 2009, vol. 22(4), DOI: 10.1088/0953-2048/22/4/043001.
11. Jeong H. et al. Enhanced Critical Current Density of MgB2 Superconductor Using a Milled MgB4 Precursor. – Journal of Alloys and Compaunds, 2021, vol. 857, DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.158253.
12. Patnaik S. et al. Electronic Anisotropy, Magnetic Field-Temperature Phase Diagram and Their Dependence on Resistivity in C-Axis Oriented MgB2 Thin Films. – Superconductor Science and Technology, 2001, vol. 14 (6), p. 315, DOI: 10.1088/0953-2048/14/6/304.
13. Sharma R.G. Superconductivity: Basics and Applications to Magnets. – Springer Nature, 2021, vol. 214, p. 649, DOI: 10.1007/978-3-030-75672-7.
14. Kario A. et al. Isotropic Behavior of Critical Current for MgB2 Ex Situ Tapes with 5 wt.% Carbon Addition. – Physica C: Superconductivity, 2012, vol. 483, pp. 222–224, DOI: 10.1016/j.physc.2012.07.013.
15. Высоцкий В.С. Крупномасштабные применения сверхпроводимости спустя столетие после ее открытия. – Электричество, 2014, т. 11, c. 4–16.
16. Носов А.А. Исследования и разработка методов испытаний сверхпроводящих кабелей на основе высокотемпературных сверхпроводников диборида магния: дис. … канд. техн. наук. М: ВНИИКП, 2017, 145 с.
17. Цаплева А.С. Структура и свойства сверхпроводников на основе диборида магния и разработка режимов их изготовления: дис. … канд. техн. наук. М: ВНИИНМ, 2019, 136 с.
18. Занегин C.Ю., Зубко В.В., Иванов Н.С. Анализ потерь в обмотках и стопках из ВТСП лент второго поколения. – Электричество, 2020, № 5, с. 61–68,
19. Зубко В.В. и др. Анализ гистерезисных потерь в силовых кабелях на основе высокотемпературных сверхпроводящих лент второго поколения. – Электричество, 2014, № 4, с. 24–33.
20. Ghosh A.K., Robins K.E., Sampson W.B. Magnetization Measurements on Multifilamentary Nb3Sn and NbTi Conductors. – IEEE Transactions on Magnetics, 1985, vol. 21, No. 2, pp. 328–331, DOI: 10.1109/TMAG.1985.1063702.
21. Руднев И.А. и др. Гистерезисные потери в многоволоконных ниобий-оловянных композитах с танталовым диффузионным барьером. – Журнал технической физики, 1996, № 10, с. 118–127.
---
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-72-10088, https://rscf.ru/project/22-72-10088/.
#
1. Chow C.C.T., Ainslie M.D., Chau K.T. High Temperature Superconducting Rotating Electrical Machines: An Overview. – Energy Reports, 2023, vol. 9, pp. 1124–1156, DOI: 10.1016/j.egyr.2022.11.173.
2. Park S.I. et al. Comparison of Superconducting Generator with 2G HTS and MgB2 Wires. – Progress in Superconductivity and Cryogenics, 2013, vol. 15, No. 4, pp. 48–52, DOI: 10.9714/psac.2013.15.4.048.
3. Nam G.-D. et al. Design and Comparative Analysis of MgB2 and YBCO Wire-Based-Superconducting Wind Power Generators. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2018, vol. 28, No. 3, p. 5205605, DOI: 10.1109/TASC.2018.2797929.
4. Sumption M. AC Loss of Superconducting Materials in Motors and Generators for Very High-Density Motors and Generators for Hybrid-Electric Aircraft. – AIAA/IEEE Electric Aircraft Technologies Symposium, 2018, DOI: 10.2514/6.2018-5001.
5. Kalsi S.S. et al. Motors Employing ReBCO CORC and MgB2 Superconductors for AC Stator Windings. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2021, vol. 31(9), DOI: 10.1109/TASC.2021.3113574.
6. Raza A., Ali S.S. Superconductors for Magnetic Imaging Resonance Applications. – Materials Research Foundations, 2022, vol. 132, pp. 230–255, DOI: 10.21741/9781644902110-13.
7. Nagamatsu J. et al. Superconductivity at 39 K in Magnesium Diboride. – Nature, 2001, No. 410, pp. 63–64, DOI: 10.1038/35065039.
8. Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2020, No. 10, pp. 59–67.
9. Xi X.X. et al. MgB2 Thin Films by Hybrid Physical-Chemical Vapor Deposition. – Physica C: Superconductivity, vol. 456, № 1-2, pp. 22–37, DOI: 10.1016/j.physc.2007.01.029.
10. Xi X. MgB2 Thin Films. – Superconductor Science and Technology, 2009, vol. 22(4), DOI: 10.1088/0953-2048/22/4/043001.
11. Jeong H. et al. Enhanced Critical Current Density of MgB2 Superconductor Using a Milled MgB4 Precursor. – Journal of Alloys and Compaunds, 2021, vol. 857, DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.158253.
12. Patnaik S. et al. Electronic Anisotropy, Magnetic Field-Temperature Phase Diagram and Their Dependence on Resistivity in C-Axis Oriented MgB2 Thin Films. – Superconductor Science and Technology, 2001, vol. 14 (6), p. 315, DOI: 10.1088/0953-2048/14/6/304.
13. Sharma R.G. Superconductivity: Basics and Applications to Magnets. – Springer Nature, 2021, vol. 214, p. 649, DOI: 10.1007/978-3-030-75672-7.
14. Kario A. et al. Isotropic Behavior of Critical Current for MgB2 Ex Situ Tapes with 5 wt.% Carbon Addition. – Physica C: Superconductivity, 2012, vol. 483, pp. 222–224, DOI: 10.1016/j.physc.2012.07.013.
15. Vysotskiy V.S. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2014, No. 11, pp. 4–16.
16. Nosov А.А. Issledovaniya i razrabotka metodov ispytaniy sverhprovodyashchih kabeley na osnove vysokotemperaturnyh sverh-provodnikov diborida magniya: dis. … kand. tekhn. nauk (Research and Development of Test Methods for Superconducting Cables Based on High-Temperature Superconductors of Magnesium Diboride: Dis. ... Cand. Sci. (Eng.)). М: VNIIKP, 2017, 145 p.
17. Tsapleva A.S. Struktura i svoystva sverhprovodnikov na osnove diborida magniya i razrabotka rezhimov ih izgotovleniya: dis. … kand. tekhn. nauk (Structure and Properties of Superconductors Based on Magnesium Diboride and Development of Their Manufacturing Modes: Dis. ... Cand. Sci. (Eng.)). М: VNIINM, 2019, 136 p.
18. Zanegin S.Yu., Zubko V.V., Ivanov N.S. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2020, No. 5, pp. 61–68,
19. Zubko V.V. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2014, No. 4, pp. 24–33.
20. Ghosh A.K., Robins K.E., Sampson W.B. Magnetization Measurements on Multifilamentary Nb3Sn and NbTi Conductors. – IEEE Transactions on Magnetics, 1985, vol. 21, No. 2, pp. 328–331, DOI: 10.1109/TMAG.1985.1063702.
21. Rudnev I.A. et al. Zhurnal Tekhnicheskoy Fiziki – in Russ. (Technical Physics), 1996, No. 10, pp. 118–127.
---
The research was financially supported by the Russian Science Foundation, grant no. 22-72-10088, https://rscf.ru/project/22-72-10088/.
Опубликован
2023-05-18
Раздел
Статьи