[發明專利]一種超導實驗中失超信號高速同步采集與保護控制系統

在審

• 申請號: 201910086267.X
• 申請日: 2019-01-29
• 公開（公告）號: CN109917310A
• 公開（公告）日: 2019-06-21
• 發明（設計）人: 王省哲;楊韜略;關明智
• 申請（專利權）人: 蘭州大學
• 主分類號: G01R33/12
• 分類號: G01R33/12
• 代理公司: 北京中恒高博知識產權代理有限公司 11249
• 代理人: 宋敏

本發明公開了一種超導實驗中失超信號高速同步采集與保護控制系統，提供有效的多信號多通道高速同步監測，確保實驗過程中各種實驗信號得到有效監測和處理。本系統能夠監測包括超導材料的電壓、電流、溫度以及主動失超觸發信號等超導實驗關鍵信號，并進行處理、圖形顯示和存儲。系統維護簡單，方便升級擴展，軟硬件均具有很大的靈活性，測量信號精度高、范圍廣、同步性，硬件設備和軟件成熟。其核心是利用高速同步采集硬件設備采集儀器輸出的模擬信號，結合計算機軟件進行高速處理，并生成控制信號控制實驗部分電路，實現保護和控制。

技術領域

本發明涉及超導實驗技術領域，尤其是涉及一種超導實驗中失超信號高速同步采集與保護控制系統。

背景技術

超導態指材料在特定溫度下呈現電阻為零的狀態。零電阻、完全抗磁性是超導體的兩個重要的基本屬性。超導體電阻轉變為零的溫度，稱為超導材料的臨界溫度。

由超導材料組建的電網理論上能消除所有損耗，大幅降低發電需求。超導材料繞制的磁體可用于制作交流超導發電機、磁流體發電機，讓其效率更上一個臺階。超導量子干涉儀(SQUID)利用包含約瑟夫森結的超導線圈提供了一種靈敏度極高的磁場測量手段。核磁共振成像儀內部使用超導磁體能獲得更穩定更強大的磁場，有效增強其分辨率。基礎科學研究領域，超導磁體已經應用于歐洲的大型強子對撞機項目，幫助人類尋求宇宙的起源等科學問題。手機和無線網絡的普及造成環境中電磁訊號極度復雜化，許多通訊裝置和氣象觀測機受到干擾，超導濾波器有很強的濾波能力，能使這些舊型裝置重新發揮功能。超導材料用于磁浮列車是應用超導界的圣杯，由于超導體天然的抗磁性，不用任何機械設計，理論上能建造極度廉價卻又超過飛機速度的列車，永遠改變人類的生活方式。國際熱核聚變實驗反應堆(ITER)的核心部件正是由超導材料繞制的一些列復雜磁體。可以預見，超導技術將會是引領人類未來發展的一項關鍵技術。

高溫超導體通常是指在液氮溫度(77K)以上超導的材料。1911年超導體被發現的時候，其神奇的零電阻，反磁性和量子隧道效應吸引了大批科學家的關注。但此后長達70年的時間內發現的超導體都只是在極低溫(23K)下才顯出超導特性，其應用受到了極大的限制。

高溫超導材料一般是指臨界溫度在絕對溫度77K以上、電阻接近零的超導材料，通常可以在廉價的液氮(77K)制冷環境中使用，主要分為兩種：釔鋇銅氧(YBCO)和鉍鍶鈣銅氧(BSCCO)。釔鋇銅氧一般用于制備超導薄膜，應用在電子、通信等領域；鉍鍶鈣銅氧主要用于線材的制造。

超導材料在強電上的應用，要求高溫超導體必須被加工成包含有超導體和金屬的復合多絲線材或帶材等具有一定力學機械強度和柔韌性的結構。但上述的陶瓷高溫超導體本身是很脆的，無法制成細的線材。在眾多的超導陶瓷線材的制備方法中，鉍系陶瓷粉體銀套管軋制法是最成熟并且比較理想的方法。而壓制出鉍系帶材的臨界電流密度比通過滾軋技術制備出帶材的臨界電流密度要高得多。

由于高溫超導帶材的復合材料特性，以及超導實驗處于極低溫、大電流、強電磁場的干擾、失超快等極端條件的特點，實驗檢測手段尙匱乏，實驗平臺也不成熟。超導態的形成與外部環境直接相關，存在臨界溫度Tc、臨界電流Ic、臨界磁場Hc，超過某一閾值超導特性隨即消失，變成常導體(即“失超”)，最新研究表明其內部應力狀態也會影響超導態的形成。實際上超導結構的力學分析，就是極端低溫、強電磁場、強應力場相互耦合作用的問題。在大載流和高磁場作用下，高強度的電磁力作用會使超導電纜的超導臨界電流和溫度發生顯著的退化，甚至發生超導纖絲的斷裂和破壞。電磁場的突變形成的渦流，隨即發熱導致冷卻劑蒸發，結構壓力過大，可能導致臨界電流退化、失超，引起事故。

本專利正是針對超導實驗過程中的特點，針對核心物理信號進行信號采集處理集成，提出一種有效的監測控制模式，搭建實驗平臺。

發明內容