Reference : Experimental and numerical study of the factors influencing the performances of magnetic...
Dissertations and theses : Doctoral thesis
Engineering, computing & technology : Electrical & electronics engineering
http://hdl.handle.net/2268/103367
Experimental and numerical study of the factors influencing the performances of magnetic screens made of high temperature superconductors
English
Fagnard, Jean-François mailto [Université de Liège - ULg > > > Doct. sc. ingé.(élec.& électro. - Bologne)]
23-Nov-2011
Université de Liège, ​Liège, ​​Belgium
Doctorat en sciences de l'ingénieur (ULg) - Doctorat en Sciences Appliquées (ERM)
Vanderbemden, Philippe mailto
Dirickx, Michel
Destiné, Jacques mailto
Vanderheyden, Benoît mailto
Piette, Marc
Coombs, Tim
Elschner, Steffen
[en] HTS ; superconductor ; magnetic shielding
[fr] HTS ; supraconducteur ; blindage magnétique
[en] In this thesis, we investigate in details the magnetic shielding processes in high temperature superconductors. We aim at predicting and measuring the influence of the parameters governing the superconducting behaviour (e.g., the critical current density Jc and its field dependence) on the magnetic flux penetration inside hollow cylinders. Three objectives are pursued. The first objective is to characterize the performances of cylindrical magnetic shields made of various high temperature superconductors (Bi-2223, Bi-2212, Y-123) for several external parameters that can be directly controlled in the experiments. These include the temperature, the geometry of the magnetic screen, the amplitude of the applied magnetic field, its orientation (H // or ⊥ cylinder axis) and its frequency (in the case of an AC excitation). The focus has been put on the effect of the sweep rate of the applied magnetic field, dBapp/dt, on the threshold magnetic flux density, Blim, above which the magnetic shielding is no longer efficient. We show that the curve of dBapp/dt vs. Blim can be directly related to the E(J) constitutive law and we explain how the field dependence of the critical current density affects the relationship between both curves. A wide range of electric field levels is investigated in this thesis thanks to the use of a number of experimental techniques. The experimental set-ups required for these investigations are described in a separate chapter where the performances and limitations of each set-up is put forward. The second objective of the thesis is to confront experimental data and numerical simulations using models of increasing complexity. We present two numerical models that take into account the strongly non-linear E(J) relationship characterizing the superconducting behaviour. The first numerical model is based on the Brandt algorithm. This model is able to describe magnetic shielding experiments which involve time-varying magnetic fields on (i) infinite samples subjected to transverse magnetic fields or on (ii) samples of finite size in axisymmetric geometries subjected to axial magnetic fields. The second model is based on a finite element method (using the GetDP software). This model can be used for both axisymmetric 2D modelling and full 3D modelling. In the latter case, it provides extremely useful information for understanding configurations where the applied magnetic field and the hollow cylinder do not present a particular symmetry. Both 2D and 3D models are able to provide current and field distributions in the superconductor. The confrontation between experimental and modelling results allows us to better understand how physical properties (critical temperature Tc, critical current density Jc, ...) and geometry affect the magnetic shielding performances (shielding factor SF, threshold induction Blim). Conversely, we present three different practical procedures using either the analytical Bean model or a 2D numerical model in order to determine the constitutive law parameters of the superconducting materials from data measured on hollow cylinders. As a third objective, we aim at investigating how the different types of HTS magnetic screens of moderate dimensions (a few cubic centimetres) could be scaled up in order to provide larger shielded volumes. Three methods are explored. The first method to build larger magnetic screens (typically ten(s) of centimetres) is to find means to assemble several (pieces of) superconducting hollow cylinders to obtain a large shielding enclosure. Experiments are carried out on superconducting cylinders cut either along or perpendicular to their axis. The influence of the cut width and the angle of the applied magnetic field with respect to the cut plane are studied. Modellings are carried out on shorter cylinders in order to understand how the presence of the cut modifies the current distribution and thus the magnetic shielding properties. The second method consist in characterizing the magnetic shielding of several hollow cylinders made with the same superconducting material but having different sizes. This helps us in determining whether the manufacturing process is able to provide large cylinders with good magnetic shielding performances. In a last method, we investigate an architecture of superconducting magnetic screens that differs from those based on bulk hollow cylinders. The idea is to exploit the high Jc-performances of superconducting tapes (based on thin film technology) to build magnetic shielding structures which can be easily scalable. The measurement results obtained on such structures are promising as the actual limitation seems to be geometrical. Using more superconducting tapes in order to achieve a higher aspect ratio should give magnetic shields which are as efficient as bulk cylinders.
[fr] Dans cette thèse, nous étudions en détails le blindage magnétique par l’utilisation de matériaux supraconducteurs. Notre but est de prédire et quantifier l’influence des paramètres gouvernant le comportement supraconducteur (en particulier la densité de courant critique Jc et sa dépendance en fonction du champ d’induction magnétique) sur la pénétration du flux d’induction magnétique à l’intérieur de cylindres supraconducteurs creux. Trois objectifs sont poursuivis. Le premier objectif est de caractériser les performances des blindages magnétiques cylindriques fabriqués à partir de différents matériaux supraconducteurs à haute température critique (Bi-2223, Bi-2212, Y-123) en fonction de divers paramètres expérimentaux. Ceux-ci sont notamment (i) la température, (ii) la géométrie du blindage magnétique, (iii) l’amplitude du champ magnétique, (iv) son orientation (H // ou ⊥ à l’axe du cylindre) et (v) sa fréquence (dans le cas d’une excitation AC). L’accent a été mis sur l’effet de la vitesse de variation du champ magnétique appliqué, dBapp/dt, sur le seuil de densité de flux magnétique, Blim, au-delà duquel le blindage magnétique n’est plus efficace. Nous montrons qu’une courbe de dBapp/dt en fonction de Blim peut être directement reliée à la loi constitutive E(J) et nous expliquons comment la loi Jc(B) affecte la relation entre ces deux courbes. Les mesures effectuées sur les blindages supraconducteurs permettent de déterminer la loi E(J) sur plusieurs ordres de grandeur du champ électrique. Les techniques expérimentales sont décrites dans un chapitre séparé en insistant sur leurs performances et limitations. Le deuxième objectif de la thèse est de confronter les données expérimentales obtenues à des simulations numériques utilisant des modèles de complexité croissante. Nous présentons deux modèles numériques prenant en compte la relation E(J) non-linéaire du supraconducteur. Le premier modèle numérique est basé sur l’algorithme de Brandt. Ce modèle permet de décrire des expériences de blindage magnétique sur (i) des échantillons cylindriques de hauteur infinie soumis à des champs magnétiques transversaux ou sur (ii) des échantillons de taille finie de géométrie axisymétrique soumis à des champs magnétiques axiaux. Le second modèle est basé sur la méthode des éléments finis (en utilisant le logiciel GetDP). Ce modèle peut être utilisé pour la modélisation de géométries 2D axisymétriques ou de géométries tridimensionnelles. Dans ce dernier cas, le modèle permet d’obtenir des informations extrêmement utiles sur la pénétration du flux dans des configurations où le champ magnétique appliqué et le cylindre creux ne présentent pas une symétrie particulière. Les deux modèles sont capables de fournir les distributions des courants et de l’induction magnétique dans le supraconducteur. La confrontation entre les résultats expérimentaux et numériques nous permet de mieux comprendre comment les propriétés physiques (température critique Tc, densité de courant critique Jc, ...) et la géométrie affectant les performances de blindage magnétique (facteur de blindage SF, seuil d’induction magnétique Blim). Inversement, nous présentons trois différentes procédures pratiques, utilisant soit le modèle analytique de Bean ou un modèle numérique 2D, afin de déterminer les paramètres des lois constitutives des matériaux supraconducteurs à partir des données mesurées sur des cylindres creux. Comme troisième objectif, nous visons à étudier comment les différents types de blindages magnétiques utilisant les matériaux supraconducteurs de dimensions modérées (quelques centimètres cubes) pourraient être exploit´es afin d’augmenter le volume blindé. Trois méthodes sont explorées. La première exploite l’assemblage de plusieurs (morceaux de) cylindres supraconducteurs creux. Les expériences sont réalisées sur des cylindres supraconducteurs coupés, soit le long de leur axe ou perpendiculairement à celui-ci. L’influence de la largeur de coupe et de l’angle du champ magnétique appliqué par rapport au plan de la coupure sont étudiés. Des simulations numériques sont réalisées sur des cylindres plus courts afin de comprendre comment la coupure modifie la répartition des courants et les propriétés de blindage magnétique. Deuxièmement, nous caractérisons les propriétés magnétiques de plusieurs cylindres creux issus du même matériau supraconducteur, mais de tailles différentes. Cette comparaison nous permet de déterminer si le processus de fabrication est en mesure de fournir des cylindres de grande taille assurant un blindage magnétique efficace. Enfin, nous étudions une architecture d’écrans magnétiques supraconducteurs qui diffère de celle basées sur des matériaux massifs. L’idée est d’exploiter les performances élevées (en termes de Jc) des rubans supraconducteurs de seconde génération (basés sur la technologie des films minces) pour construire des blindages magnétiques facilement extensibles. Les résultats de mesures obtenus sur la structure réalisée dans ce travail sont tr`es prometteurs car la limitation actuelle semble être essentiellement de nature géométrique. Une telle structure réalisée avec de plus nombreux rubans supraconducteurs, en vue d’avoir un rapport d’aspect plus grand, devrait être aussi efficace que les blindages magnétiques réalisés en matériaux massifs.
Ecole Royale Militaire de Belgique ; Université de Liège
F07/03: Blindage magnétique par matériaux supraconducteurs à haute température critique – Etude de l’interaction substrat – supraconducteur, du scaling-up et des problèmes liés à la géométrie
Researchers ; Professionals ; Students
http://hdl.handle.net/2268/103367

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