Experimental verification of thermal stability in MgB2 superconductor

Abstract

Superconductors have been used in certain applications for several years already. In 2001 a new superconducting material with promising properties was discovered. MgB2 (Magnesium diboride) has significantly higher critical temperature than current materials used in the commercially most important segments. In the theoretical part of this thesis, simple analytic methods for the computation of two stability parameters, minimum quench energy and normal zone propagation velocity, are reviewed. Also the effects of current transfer effects in the current contact joints and between the matrix and the superconducting filaments are studied. One of the main tasks done for this thesis was the design and construction of a measurement system for the required parameters. The system was constructed to a pre-existing mechanically cooled measurement station by adding an apparatus for measuring voltage profiles from the sample surface. In the experimental section the performed measurements and the system developed for the thesis are presented. Two samples were studied in the experiments. The samples were measured with varying success, the current transfer length proved to be challenging to measure with the setup used. The measurement setup for this measurement therefore needs further development. The measurement setup for the quench parameters performed adequately and both samples were measured successfully. Only one of the samples was successfully measured for the current transfer analysis.

AB3:Magnesiumdiboridi (MgB2) havaittiin suprajohtavaksi vuonna 2001. Verrattuna perinteisiin metalliyhdistesuprajohteisiin tämä uusi materiaali siirtyy suprajohtavaan tilaan jo merkittävästi korkeammassa lämpötilassa. Suprajohdesovelluksissa järjestelmän stabiilisuus erilaisia häiriöitä vastaan on tärkeä suunnittelun lähtökohta. Stabiilisuudella tarkoitetaan suprajohdekomponentin kykyä toimia häiriöttömästi suunnitellussa käyttöympäristössä. Stabiilisuutta voidaan mallintaa esimerkiksi suprajohtavan tilan menetykseen vaadittavan pienimmän energiamäärän, niin sanotun minimi-quench-energian tutkimisella. Stabiilisuuden menettämisestä seuraava quench, eli suprajohteen äkillinen siirtyminen normaalijohtavaan tilaan, on myös kyettävä mallintamaan komponentin vaurioitumisen estämiseksi. Tällaisen tehtävän ratkaisemisessa normaalijohtavan alueen etenemisnopeus on hyödyllinen suure. Suprajohdejärjestelmän kannattavuuteen ja toimivuuteen vaikuttaa oleellisesti myös virtakontakteissa tapahtuvat häviöt. Näiden häviöiden arvioinnissa ja liitoksien suunnittelussa voidaan käyttää apuna virransiirtomallia. MgB2 on vielä melko uusi suprajohdemateriaali, joten sen mallintamiseen ei vielä ole täysin vakiintuneita menetelmiä. Materiaalin käyttäytymistä on luonnollista lähteä tutkimaan aiemmin suprajohteille luotujen mallien pohjalta. Tutkituissa malleissa merkittävinä parametreina oli voimakkaasti lämpötilasta riippuvia tekijöitä, joten oli perusteltua olettaa MgB2:n stabiilisuus ja quench-ominaisuuksien sijoittuvan perinteisten korkean ja matalan lämpötilan suprajohteiden välimaastoon. Työssä esitellään kirjallisuuteen pohjautuvat mallit minimi-quench-energialle ja normaalialueen etenemisnopeudelle. Lisäksi laajennetaan kirjallisuudessa esitetty analyyttinen virransiirtomalli sisältämään suprajohtimeen liitettävä normaalijohteinen virtakontakti. Työn yhteydessä rakennettiin laboratorioon mallien kokeelliseen varmentamiseen vaadittava mittausjärjestelmä. Tavoitteena oli rakentaa jo olemassa olevaan, mekaanisesti jäähdytettyyn, mittausjärjestelmään tarvittavat komponentit näiden mittausten toteuttamiseksi ja siten laajentaa mittausjärjestelmän käytettävyyttä. Mittauksissa tutkittiin kahta MgB2-monifilamenttijohdinta. Näytteistä mitattiin tarkastellut stabiilisuusparametrit ja virransiirtomatka. Stabiilisuusparametrimittaukset suoritettiin onnistuneesti molemmille näytteille, mutta virransiirron mittaus onnistui vain toiselle.