超導磁體案例研究：設計和運行要點（第二版）

第1章 超導磁體技術 
1.1 引言 
1.2 超導電性 
1.2.1 邁斯納效應 
1.2.2 倫敦超導電性理論 
1.2.3 第Ⅰ類和第Ⅱ類超導體
1.2.4 第Ⅱ類超導體的臨界面
1.3 磁體級超導體 
1.3.1 超導材料與磁體級超導體 
1.3.2 實驗室級超導體與磁體級超導體
1.4 磁體設計 
1.4.1 要求和關鍵問題 
1.4.2 運行溫度的影響 
1.5 數(shù)值解
1.5.1 概算近似解 
1.5.2 程序解
1.6 專題
1.6.1 問題 1.1: 第Ⅰ類超導體的熱力學性質 
1.6.2 問題 1.2: 超導回路 
1.6.3 問題 1.3: 磁共振成像 
第2章 電磁場 
2.1 引言 
2.2 麥克斯韋方程組 
2.2.1 高斯定律 
2.2.2 安培定律 
2.2.3 法拉第定律 
2.2.4 磁感應連續(xù)性 
2.2.5 電荷守恒 
2.2.6 磁化和本構關系 
2.3 準靜態(tài) 
2.4 坡印亭矢量 
2.5 場的標量勢解法 
2.5.1 二維圓柱坐標 
2.5.2 球坐標 
2.5.3 正交坐標系下的微分算符 
2.5.4 勒讓德函數(shù) 
2.6 專題 
2.6.1 問題 2.1: 均勻場中的磁化球 
2.6.2 問題 2.2: 均勻場中的第Ⅰ類超導棒 
2.6.3 討論 2.1: 均勻場中的理想導體球 
2.6.4 問題 2.3: 球殼的磁屏蔽 
2.6.5 討論 2.2: 用圓柱殼屏蔽 
2.6.6 問題 2.4: 四個偶極子簇的遠場 
2.6.7 問題 2.5: 鐵制電磁體的磁極形狀 
2.6.8 討論 2.3: 永磁體 
2.6.9 問題 2.6: 圓柱中的準靜態(tài)場 
2.6.10 問題 2.7: 圓柱殼的感應加熱 
2.6.11 問題 2.8: 金屬帶中的渦流損耗 
2.6.12 討論 2.4: 切分以減少渦流損耗 
2.6.13 問題 2.9: 羅氏線圈 
第3章 磁體、場和力 
3.1 引言 
3.2 畢奧-薩伐爾定律 
3.3 洛倫茲力和磁壓 
3.4 螺管線圈的磁場分析 
3.4.1 簡單線圈 
3.4.2 諧波誤差———嵌套雙線圈磁體 
3.5 軸向力 
3.5.1 兩個環(huán)線圈間的軸向力 
3.5.2 薄壁螺管內的軸向力 
3.5.3 薄壁螺管和環(huán)線圈間的軸向力 
3.5.4 兩個薄壁螺管間的軸向力 
3.5.5 厚壁螺管線圈———中平面軸向力 
3.5.6 嵌套雙線圈磁體的軸向力 
3.5.7 軸向中心錯位螺管組的軸向恢復力 
3.6 螺管在磁力下的應力應變 
3.6.1 應力應變方程 
3.6.2 各向同性螺管的應力應變方程 
3.6.3 張力繞制以減小徑向應力 
3.7 自感 
3.7.1 圓環(huán)的自感 
3.7.2 螺管線圈的自感 
3.7.3 實用電感公式 
3.8 互感 
3.8.1 互感———幾個特定的解析表達 
3.8.2 互感和相互作用力 
3.9 專題 
3.9.1 討論 3.1: 均勻電流密度螺管 
3.9.2 問題 3.1: 簡單螺管線圈 
3.9.3 討論 3.2: 比特磁體 
3.9.4 問題 3.2: 螺管中的最大場 
3.9.5 討論 3.3: 負荷線 
3.9.6 討論 3.4: 疊加技術 
3.9.7 討論 3.5: 混合磁體 
3.9.8 討論 3.6: 雙餅與層繞 
3.9.9 問題 3.3: 亥姆霍茲線圈 
3.9.10 問題 3.4: 亥姆霍茲線圈的分析———
另一種方法
3.9.11 問題 3.5: 空間均勻磁體分析 
3.9.12 問題 3.6: 直角坐標下的磁場展開 
3.9.13 問題 3.7: 凹槽螺管 
3.9.14 討論 3.7: 餅式線圈磁體的磁場分析 
3.9.15 問題 3.8: 理想二極磁體 
3.9.16 問題 3.9: 理想四極磁體 
3.9.17 討論 3.8: 雙跑道線圈磁體 
3.9.18 問題 3.10: 理想環(huán)形磁體 
3.9.19 討論 3.9: 核聚變與磁約束 
3.9.20 問題 3.11: 邊緣場 
3.9.21 討論 3.10: 螺管磁體的縮放 
3.9.22 討論 3.11: 粒子加速器 
3.9.23 問題 3.12: 加速器中的回旋質子 
3.9.24 問題 3.13: 雙線圈磁體 
3.9.25 問題 3.14: 螺管線圈的中平面軸向力 
3.9.26 問題 3.15: 嵌套型雙線圈磁體的中平面軸向力 
3.9.27 問題 3.16: 環(huán)氧浸漬螺管的應力 
3.9.28 問題 3.17: 高溫超導磁體中的應力和軸向力 
3.9.29 討論 3.12: 鐵球上的磁力 
3.9.30 討論 3.13: 雙線圈磁體的徑向力 
3.9.31 討論 3.14: 45T混合磁體的結構支撐 
3.9.32 討論 3.15: Nb3 Sn復合導體上的應力 
3.9.33 問題 3.18: 自感舉例 
3.9.34 討論 3.16: 羅氏線圈的互感 
3.9.35 討論 3.17: 力與互感 
第4章 低溫 
4.1 引言 
4.2 “濕式” 磁體和 “干式” 磁體 
4.3 低溫問題: 冷卻、 熱、 測量 
4.3.1 冷源 
4.3.2 熱源 
4.3.3 測量 
4.4 液體制冷劑———用于 “濕式” 磁體 
4.5 固體制冷劑———用于 “干式” 磁體 
4.5.1 “濕式”LTS磁體與 “干式”HTS磁體的
關系———熱容 
4.5.2 固體制冷劑———氖、氮、氬 
4.6 專題 
4.6.1 問題 4.1: 卡諾制冷機 
4.6.2 討論 4.1: 卡諾制冷機性能 
4.6.3 討論 4.2: “濕式” 磁體的冷卻模式 
4.6.4 討論 4.3: 制冷機冷卻的HTS磁體 
4.6.5 討論 4.4: 超流 
4.6.6 討論 4.5: 1.8K過冷低溫容器 
4.6.7 討論 4.6: J-T過程 
4.6.8 問題 4.2: 基于制冷機的 “迷你” 氦液化器 
4.6.9 討論 4.7: 制冷機與低溫循環(huán)器的關系 
4.6.10 討論 4.8: 輻射傳熱 
4.6.11 討論 4.9: 殘余氣體的對流傳熱 
4.6.12 討論 4.10: 真空泵系統(tǒng) 
4.6.13 討論 4.11: 制冷機冷卻的固態(tài)制冷劑/磁體 
4.6.14 問題 4.3: 固態(tài)制冷劑冷卻的磁體 
4.6.15 討論 4.12: 溫升與場均勻性的關系 
4.6.16 討論 4.13: 低溫測量 
4.6.17 討論 4.14: 氣冷銅電流引線 
4.6.18 討論 4.15: “干式” 引線———常規(guī)金屬和HTS 
4.6.19 問題 4.4: 氣冷HTS電流引線———全超導型 (FSV)
4.6.20 問題 4.5: 氣冷HTS引線———電流分流型 
4.6.21 討論 4.16: FSV和CSV電流引線的保護 
4.6.22 討論 4.17: HTS電流引線———銅延伸段 
4.6.23 問題 4.6: 6kA氣冷HTS電流引線 
4.6.24 討論 4.18: “最優(yōu)”CSV引線 
4.6.25 問題 4.7: 氣冷黃銅電流引線 
4.6.26 討論 4.19: 氣冷支撐棒 
4.6.27 討論 4.20: 低溫下的結構材料 
第5章 磁化 
5.1 引言 
5.2 第Ⅱ類超導體的比恩理論 
5.2.1 無傳輸電流 
5.2.2 傳輸電流對磁化的效應 
5.3 測量技術 
5.4 專題 
5.4.1 討論 5.1: 有傳輸電流時的磁化 
5.4.2 討論 5.2: 超導量子干涉儀用于磁化測量 
5.4.3 討論 5.3: 比恩細絲的磁化 
5.4.4 討論 5.4: 由磁化求臨界電流密度 
5.4.5 問題 5.1: 磁化測量 
5.4.6 討論 5.5: 磁擴散和熱擴散 
5.4.7 問題 5.2: 磁通跳躍判據(jù) 
5.4.8 問題 5.3: 磁通跳躍 
5.4.9 問題 5.4: 導線扭絞 
5.4.10 問題 5.5: 導體勵磁 
5.4.11 討論 5.6: 扭絞 
5.4.12 討論 5.7: HTS中的磁通跳躍 
第6章 穩(wěn)定性 
6.1 引言 
6.2 穩(wěn)定性理論和標準 
6.2.1 式 (6.1) 涉及的概念 
6.2.2 熱能
6.2.3 熱傳導 
6.2.4 焦耳熱 
6.2.5 擾動譜 
6.2.6 穩(wěn)定裕度與擾動能量 
6.2.7 冷卻 
6.3 電流密度 
6.3.1 截面積 
6.3.2 復合超導體 
6.3.3 繞組中的電流密度 
6.4 專題 
6.4.1 討論 6.1: 低溫穩(wěn)定性———電路模型 
6.4.2 問題 6.1: 低溫穩(wěn)定性———溫度依賴 
6.4.3 討論 6.2: 斯特科利低溫穩(wěn)定性判據(jù) 
6.4.4 討論 6.3: 復合超導體 
6.4.5 問題 6.2: 低溫穩(wěn)定性———非線性冷卻曲線 
6.4.6 討論 6.4: 等面積判據(jù) 
6.4.7 討論 6.5: 超導體指數(shù)———n 
6.4.8 問題 6.3: 復合導體 (n) ———電路模型 
6.4.9 問題 6.4: 電流脈沖下的復合YBCO
6.4.10 討論 6.6: CIC導體 
6.4.11 問題 6.5: 冷卻后的復合導體V-I曲線 
6.4.12 問題 6.6: 混合Ⅲ超導磁體的穩(wěn)定性分析 
6.4.13 討論 6.7: 低溫穩(wěn)定與準絕熱磁體
6.4.14 討論 6.8: 最小傳播區(qū)的概念 
6.4.15 問題 6.7: 絕熱繞組中的能量耗散密度 
第7章 交流損耗和其他損耗 
7.1 引言 
7.2 交流損耗 
7.2.1 磁滯損耗 
7.2.2 多絲復合導體中的耦合損耗 
7.2.3 渦流損耗 
7.3 其他損耗 
7.3.1 接頭電阻 
7.3.2 機械擾動 
7.4 聲發(fā)射技術 
7.4.1 機械事件探測———LTS磁體 
7.4.2 應用于HTS磁體
7.5 專題
7.5.1 問題 7.1: 磁滯能量密度———在 “弱” 磁場序列下的原始狀態(tài)比恩板 
7.5.2 問題 7.2: 磁滯能量密度———在 “中” 磁場時間序列下的原始狀態(tài)比恩板 
7.5.3 問題 7.3: 磁滯能量密度———在 “強” 磁場時間序列下的原始狀態(tài)比恩板 
7.5.4 討論 7.1: 磁滯能量密度———磁化的比恩板(情況 4~6) 
7.5.5 討論 7.2: 載直流電流的比恩板 
7.5.6 問題 7.4: 磁滯能量密度———載直流的比恩板(情況 4i~6i) 
7.5.7 問題 7.5: 自場磁滯能量密度———比恩板 
7.5.8 交流損耗公式的匯總 
7.5.9 討論 7.3: 磁體整體的交流損耗
7.5.10 討論 7.4: 交流損耗的測量技術 
7.5.11 討論 7.5: 管內電纜導體中的交流損耗 
7.5.12 討論 7.6: HTS中的交流損耗 
7.5.13 問題 7.6: Nb3 Sn中的磁滯損耗 
7.5.14 問題 7.7: 混合Ⅲ超導磁體中的交流損耗 
7.5.15 討論 7.7: 混合Ⅲ內NbTi線圈中的接頭耗散 
7.5.16 討論 7.8: 持續(xù)電流模式與指數(shù) 
第8章 保護 
8.1 引言 
8.1.1 熱能密度與磁能密度 
8.1.2 熱點和熱點溫度 
8.1.3 繞組材料的溫度數(shù)據(jù) 
8.1.4 安全、 有風險、 高度風險的Tf區(qū)間 
8.1.5 溫度引起的應力 
8.2 絕熱加熱 
8.2.1 恒電流模式下的絕熱加熱 
8.2.2 電流放電模式下的絕熱加熱 
8.2.3 引線短接磁體的絕熱加熱 
8.2.4 恒定電壓模式下的絕熱加熱 
8.3 高電壓 
8.3.1 電弧環(huán)境 
8.3.2 帕邢電壓試驗 
8.3.3 失超磁體內的電壓峰值 
8.4 正常區(qū)傳播 
8.4.1 軸向NZP速度 
8.4.2 冷卻條件下的NZP
8.4.3 橫向 (匝間) 速度 
8.4.4 熱流體動力學反饋失超 
8.4.5 交流損耗輔助的
8.5 計算機仿真 
8.6 自保護磁體限制尺寸 
8.7 孤立磁體的被動保護 
8.8 主動保護 
8.8.1 過熱 
8.8.2 多線圈磁體中的過應力 
8.8.3 主動保護技術: 檢測-釋能 
8.8.4 主動保護技術: 檢測-激活加熱器 
8.8.5 失超電壓檢測技術———基本電橋電路 
8.9 專題 
8.9.1 問題 8.1: 大型超導磁體的回溫 
8.9.2 問題 8.2: 6 kA氣冷HTS引線的保護 
8.9.3 問題 8.3: 低溫穩(wěn)定NbTi磁體的保護 
8.9.4 問題 8.4: 混合Ⅲ超導磁體的熱點溫度 
8.9.5 討論 8.1: 失超電壓探測———1個變種 
8.9.6 問題 8.5: 釋能電阻設計 
8.9.7 討論 8.2: 磁體的緩慢放電模式 
8.9.8 討論 8.3: 低阻電阻器設計 
8.9.9 討論 8.4: 過熱和內部電壓判據(jù) 
8.9.10 討論 8.5: Bi2223超導帶電流引線的保護 
8.9.11 討論 8.6: MgB2磁體的主動保護 
8.9.12 問題 8.6: NMR磁體的被動保護 
8.9.13 討論 8.7: HTS磁體到底要不要保護 
第9章 螺管磁體的實例，HTS磁體，結語 
9.1 引言 
9.2 螺管磁體的實例 
9.2.1 例 9.2A: 串聯(lián)混合磁體 
9.2.2 Q/A 9.2A: SCH超導磁體
9.2.3 例 9.2B: 鋼板上的超導線圈 
9.2.4 例 9.2C: HTS平板的懸浮 
9.3 例 9. 2D: HTS環(huán)磁體 
9.4 HTS磁體 
9.4.1 主要應用領域———HTS和LTS 
9.4.2 HTS磁體展望 
9.5 結語 
附錄 
ⅠA 物理常數(shù)和轉換因子 
ⅠB 均勻電流密度螺管線圈的場誤差系數(shù) 
Ⅱ 制冷劑的熱力學性質 
Ⅲ 材料的物理性質 
Ⅳ 常規(guī)金屬的電氣性質 
Ⅴ 超導體的性質 
A5.1 NbTi、 Nb3 Sn、 MgB2 、 YBCO、 Bi2223的電流密度 
A5.2 NbTi、 Nb3 Sn的標度律 
A5.3 力學和熱學性質 
Ⅵ 詞匯表 
Ⅶ 索引