NbTi suprajohdemagneettien stabiilisuus ja quench- analyysi
Anttila, Tomi Janne Johannes (2015)
2015
Sähkötekniikan koulutusohjelma
Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunta - Faculty of Computing and Electrical Engineering
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2015-08-12
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201507291477
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201507291477
Tiivistelmä
Matalan lämpötilan suprajohteita (LTS) on kehitetty 60-luvulta saakka. Tyypillisesti niillä toteutetuissa sovelluksissa jäähdytykseen käytetään nesteheliumia. Nestehelium on kuitenkin merkittävä taloudellinen tekijä, sen käsittely on hankalaa ja saatavuus voi olla vaikeaa. Tämän vuoksi kryojäähdyttimien käyttö LTS-sovelluksissa on houkuttelevaa. Perinteisten suprajohdinten ja magneettien rakenteiden vuoksi kryojäähdyttimillä toteutettu jäähdytys on hidasta pienen jäähdytystehon ja käämin sisäisen lämmönjohtavuuden vuoksi. Jäähdytystä pyritään nopeuttamaan parantamalla käämien sisäistä lämmönjohtavuutta erilaisten johdinrakenteiden avulla.
Tämän työn tarkoitus oli selvittää Luvata Oy:n patentoiman kanavajohtimen ominaisuuksia. Johdin poikkeaa markkinoilla olevista kanavajohtimista siten, että siinä ydinlangan ja kuparikanavan välillä on sähköinen eristys. Johtimesta käytettiin kahta eri variaatiota. Toisessa kuparikanavan ulkopinta oli täysin paljas (käämi 1), ja toisessa sen päällä oli ohut eristelakkakerros (käämi 2). Lisäksi tarkasteltiin perinteisempää kolmatta kanavajohdintyyppiä, jossa ydinlankaa ei ollut eristetty kuparikanavasta, mutta johtimen ympärillä oli kerros PET-eristettä (käämi 3).
Työssä esitettiin yksinkertainen solenoidimagneetin quench-analyysin malli. Mallia hyödynnettiin mittausohjelman suunnittelussa ja sen antamia tuloksia verrattiin mittaus-tuloksiin. Käämeille suoritettiin kriittisen virran mittaukset, virran kasvatusnopeuden testit sekä määritettiin MQE-arvot eri virtojen arvoilla.
Mittaustulokset poikkesivat esitetystä mallista, mutta käyttäjän kannalta edulliseen ja turvalliseen suuntaan. Käämeillä päästiin erittäin lähelle short sample- mittausten mukaisia virtoja, ja niissä ei esiintynyt heikentymistä eikä training- ilmiötä. Tämän perusteella johdin oli siis erittäin sopivaa käämien valmistukseen.
Käämien 1 ja 2 lämpötila palautui korkeimmastakin lämpötilasta takaisin nesteheliumin lämpötilaan alle 30 sekunnissa, kun taas käämillä 3 siihen kului noin 10-kertainen aika. Heliumkylvyssä jäähtymisnopeudessa ei näkynyt merkittävää eroa käämien 1 ja 2 välillä.
Käämin virran ollessa 95 % kriittisestä virrasta käämien 1 ja 2 MQE- arvot olivat 120 mJ ja 95 mJ. Virran muuttuessa käämissä 2 muodostuneiden pyörrevirtojen aiheuttama lämpötilan nousu oli pienimmillään vain noin 1 % ja suurimmillaan noin 45 % käämin 1 arvosta. Suurin etu saatiin matalilla virran kasvatusnopeuksilla. Lakkakerros kupari-kanavan päällä heikentää siis stabiilisuutta noin 20 %, mutta parhaimmillaan käytännössä eliminoi pyörrevirtojen aiheuttaman lämpötilan nousun.
Tämän työn tarkoitus oli selvittää Luvata Oy:n patentoiman kanavajohtimen ominaisuuksia. Johdin poikkeaa markkinoilla olevista kanavajohtimista siten, että siinä ydinlangan ja kuparikanavan välillä on sähköinen eristys. Johtimesta käytettiin kahta eri variaatiota. Toisessa kuparikanavan ulkopinta oli täysin paljas (käämi 1), ja toisessa sen päällä oli ohut eristelakkakerros (käämi 2). Lisäksi tarkasteltiin perinteisempää kolmatta kanavajohdintyyppiä, jossa ydinlankaa ei ollut eristetty kuparikanavasta, mutta johtimen ympärillä oli kerros PET-eristettä (käämi 3).
Työssä esitettiin yksinkertainen solenoidimagneetin quench-analyysin malli. Mallia hyödynnettiin mittausohjelman suunnittelussa ja sen antamia tuloksia verrattiin mittaus-tuloksiin. Käämeille suoritettiin kriittisen virran mittaukset, virran kasvatusnopeuden testit sekä määritettiin MQE-arvot eri virtojen arvoilla.
Mittaustulokset poikkesivat esitetystä mallista, mutta käyttäjän kannalta edulliseen ja turvalliseen suuntaan. Käämeillä päästiin erittäin lähelle short sample- mittausten mukaisia virtoja, ja niissä ei esiintynyt heikentymistä eikä training- ilmiötä. Tämän perusteella johdin oli siis erittäin sopivaa käämien valmistukseen.
Käämien 1 ja 2 lämpötila palautui korkeimmastakin lämpötilasta takaisin nesteheliumin lämpötilaan alle 30 sekunnissa, kun taas käämillä 3 siihen kului noin 10-kertainen aika. Heliumkylvyssä jäähtymisnopeudessa ei näkynyt merkittävää eroa käämien 1 ja 2 välillä.
Käämin virran ollessa 95 % kriittisestä virrasta käämien 1 ja 2 MQE- arvot olivat 120 mJ ja 95 mJ. Virran muuttuessa käämissä 2 muodostuneiden pyörrevirtojen aiheuttama lämpötilan nousu oli pienimmillään vain noin 1 % ja suurimmillaan noin 45 % käämin 1 arvosta. Suurin etu saatiin matalilla virran kasvatusnopeuksilla. Lakkakerros kupari-kanavan päällä heikentää siis stabiilisuutta noin 20 %, mutta parhaimmillaan käytännössä eliminoi pyörrevirtojen aiheuttaman lämpötilan nousun.