【电磁学】-失超

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目录

1. 定义

2. 原因

3. 过程

4. 影响

5. 防护措施

6. 实际应用

1. 定义

• 失超（Quench of Superconductivity）：指超导体在特定条件下（如温度、磁场或电流超过临界值）突然失去超导特性，转变为正常导体的过程。

2. 原因

• 温度、磁场或电流超过临界值：
  • 超导体具有零电阻特性、迈斯纳效应和约瑟夫森效应等三大基本特性，这些特性依赖于特定的温度、磁场和电流条件。
  • 当温度、磁场或电流中的任一参数超过其临界值时，超导体会发生相变，成为常导体，即发生失超。
• 能量转换：失超是一个将电磁能量转换为热能的过程。在失超过程中，磁能在线圈绕组周围的传播是不均匀的，失超开始点会经历最高温升。

3. 过程

• 电磁能量转换为热能：
  • 失超过程中，电磁能量会转化为热能，导致局部温升。这种温升不仅可能破坏线圈的绝缘，还可能熔化超导体，严重时甚至破坏整个磁体。
  • 例如，在超导磁体失超后，释放出的磁体能量会使磁体局部温度迅速升高，若温升过高，会破坏超导体内部的结构甚至烧毁磁体。
• 电压变化：
  • 在失超过程中，线圈电感和电阻（失超的结果）上将出现反向电压。这种反向电压常达几百甚至上千伏，可能使匝间产生电弧。

4. 影响

• 破坏超导体：失超过程中释放出的磁体能量会使磁体局部温度迅速升高，若温升过高，会破坏超导体内部的结构甚至烧毁磁体。
• 设计考量：磁体失超后的安全性分析需要考虑失超的过渡过程，包括磁体的电流衰减、温度变化及电压变化等，从而评价磁体设计是否满足磁场强度和磁场均匀度的要求。

5. 防护措施

• 能量转移和平衡：超导磁体的保护方法主要从能量的转移和平衡来考虑，如加快磁体失超传播，使能量尽量平均分配到整个磁体。
• 实时监测：为了诊断失超部位及研究其传播速度，需要实时监测超导螺线管线圈绕组各个节段的失超电压。
• 失超管设计：失超管是超导磁体不可缺少的一部分，其作用是在失超时排除废气。失超管的设计应确保尺寸足够、铺设路径合理且通畅，以避免磁体因内部压力快速增高而被损坏。
• 氧监测器和应急排风机：在磁体间安装氧监测装置和应急排风机，以确保在失超或氦气泄漏时人员的安全。

6. 实际应用

• 超导磁体：超导磁体在医学成像（如MRI）、粒子加速器、核聚变反应堆等领域有广泛应用。在这些应用中，了解和控制失超过程对于确保设备的稳定性和安全性至关重要。