Superconductor Science and Technology：最新高温超导6篇论文分享（附下载）

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摘要 

长型Nb₃Sn 超导波荡器在发生失超时，可能表现出与磁体不同区段相关的失超电压演化特征，而仅通过电流衰减数据难以捕捉这些变化。与此同时，磁体内部电压水平直接决定了绝缘系统的设计要求。

本文建立了一种基于COMSOL Multiphysics的二维（2D）失超分析模型，通过耦合电磁、热和电路物理过程，对短周期 Nb₃Sn 超导波荡器中的分区及内部电压演化进行分析。采用二维模型是一种几何简化手段，可以降低计算成本，同时保留各物理过程之间的耦合动力学；纵向电路行为则通过电感和电阻的等效尺度长度引入，并利用短样机的实验数据进行标定。

研究采用独立测量得到的导体临界电流和残余电阻率比（RRR）数据，对模型进行了实验验证。以 SMM6（一台长度为0.1m 的原型磁体）——开展的人为触发的失超实验为基准，模型能够同时再现实验测得的电流衰减过程和各区段的电压分布。

进一步将模型应用于长度为0.5m的原型磁体IMM1。结果表明，当模型中引入区段相关的RRR变化时，可以再现实验中磁体两半部分之间存在的区段电压不对称性。所采用的RRR变化幅度与该导体实验样品之间已有报道的离散程度一致。相比之下，引入幅度相当的带间耦合参数（interfilament coupling parameter）变化，并不能重现这种电压不对称性。

因此，区段电压可以作为表征绕组非均匀性的敏感指标；对于未来 Nb₃Sn 超导波荡器磁体的失超保护和绝缘设计而言，对内部电压的分析是不可或缺的。

摘要 

REBCO 涂层导体由于在高磁场条件下仍具有优异的临界电流保持能力，因此在高场超导应用中具有重要价值。然而，根据不同的制备工艺，这些微观结构缺陷可能影响电流输运，并限制临界电流密度，例如孔隙、CuO 析出物以及c轴取向晶粒等。这些缺陷会干扰电流输运，并限制材料的临界电流密度。

本研究针对不同规格的商业化REBCO导体，对上述缺陷进行了研究和表征。

研究首先通过扫描电子显微镜（SEM）俯视成像获取 REBCO 层的表面形貌。为暴露底层微观结构，实验前先通过化学刻蚀去除表面的Cu和Ag层。研究发现，传统的图像分析和图像分割方法难以可靠地对这些缺陷进行定量表征，而依赖人工识别则需要耗费大量人力。为解决这一问题，研究探索采用机器学习方法实现缺陷的快速、自动化和准确检测。

具体而言，研究选用了开源计算机视觉模型——Mask R-CNN（掩膜区域卷积神经网络），并利用针对该领域获取的 SEM 图像数据进行领域特定微调。

经过微调后，该模型在验证集上的平均精度均值（mAP）达到45.23%，并能够对63条REBCO带材开展定量缺陷分析。

研究进一步采用偏相关分析，在控制不同缺陷类型之间混杂因素的情况下，分析各类缺陷与临界电流密度之间的独立关联。结果显示，不同缺陷类型与临界电流密度之间的关联强度和方向，会随着缺陷类型以及测量条件的不同而发生变化。

这些结果表明，还需要进一步开展针对性的表征研究，以确定这些关联背后的微观结构起源，并为 REBCO 导体的材料和制备工艺优化提供依据。

摘要 

为研究人工钉扎中心与多层结构对磁通钉扎和临界电流性能的协同影响，研究制备了具有单层和多层结构的BaZrO₃（BZO）纳米棒掺杂YBa₂Cu₃O₆₊ₓ（YBCO）薄膜。

结构表征结果表明，Ca掺杂YBCO 层间层能够改善薄膜的晶体质量，并促进形成更加笔直、分布更加均匀的BZO纳米棒。

得益于此，多层膜在10 K、0–7 T 磁场范围内表现出更优异的磁场下性能。其中，6 wt.%BZO多层膜相比相应的单层膜，其临界电流密度（J_c）提高了30%–40%；在10 K、7 T 条件下，相比未掺杂 YBCO，其 J_c最大提高约 500%。

在 70 K 条件下进行的角度依赖输运测量表明，多层结构能够改善J_c的各向同性。进一步与磁通涡旋动力学模拟进行比较发现，Ca掺杂YBCO层间层能够有效地在相邻层之间重新设定BZO纳米棒的生长过程，从而消除纳米棒之间的横向空间相关性。

这些结果表明，BZO掺杂多层YBCO 结构为开发面向高场超导应用的新一代涂层导体提供了一种有效途径。

摘要 

要在蓝宝石衬底上实现高质量的薄膜晶体生长，通常需要对衬底进行充分的预处理，这一过程往往需要采用较为强烈的化学清洗。

通过CO₂ 激光束对蓝宝石衬底进行直接热重构，有望在不进行化学处理的情况下，为外延生长提供另一种衬底制备方法。

本研究证明，将蓝宝石通过热退火处理，使其形成 （√31×√31)R ± 9◦重构表面，是一种可行的蓝宝石衬底预处理技术。

采用等离子体辅助分子束外延（MBE）在经过上述处理的衬底上生长 TiN 薄膜。结果显示，与在经过化学清洗的蓝宝石衬底上生长的 TiN 薄膜相比，这些薄膜具有更高的结晶质量。

进一步利用这些 TiN 薄膜制备的超导谐振器表现出相近的性能。在两种衬底预处理方法下制备的器件中，都有相当一部分谐振器在单光子能级下实现了超过 10⁶ 的内部品质因数。

摘要 

对超导体中电磁场进行准确且高效的数值模拟，对于高场磁体、能源系统等先进应用的设计与优化至关重要。传统数值方法主要依赖有限元法（finite element method，FEM）。

本文建立了一种稳健的物理信息神经网络（PINN）框架，用于求解 Maxwell 方程组与非线性的E–J 幂律本构关系所构成的耦合系统。

研究采用了渐进式验证策略。

首先，研究考察了超导块材在轴向磁场作用下的磁化过程，以验证 PINN 处理单一计算域内强非线性电磁行为的能力。结果表明，PINN 的计算结果与 FEM 结果具有较好的一致性。

随后，将 PINN 框架扩展至多计算域问题，即同时包含超导区域和空气区域，并考虑面内磁场与输运电流条件。

针对超导体—空气界面处存在的严重电阻率不连续问题，并为提高模型训练的稳定性，研究引入了一种平滑过渡函数。对于上述多区域问题，PINN的计算结果同样与FEM取得了较为合理的一致性。

研究结果表明，所提出的PINN框架能够作为一种有效的、无需网格的配置点法，用于模拟具有强非线性的超导电磁问题。

摘要 

近年来，采用脉冲激光沉积（PLD）工艺制造的稀土钡铜氧（REBa₂Cu₃O₇₋δ，REBCO）带材需求快速增长，其主要驱动力来自紧凑型聚变项目的发展，并推动 REBCO 带材的成本—性能指标（$/（kA·m））得到显著改善。

PLD 工艺高度复杂，其规模化制造能力长期以来一直是科学界讨论的问题。

本文首先建立了一种自下而上的成本模型，用于估算当前涂层导体的制造成本。随后，基于科学文献和产业来源中的历史数据，构建了受工程约束的学习曲线，以评估 PLD 工艺的规模化潜力。

通过分析生长速率（nm·s⁻¹）、REBCO 层厚度（μm）和临界电流（A）等关键模型参数，研究量化了近年来技术和工艺层面的创新对 REBCO 带材最终成本的影响。

在考虑当前技术约束的基础上，研究进一步预测了随着未来部署规模扩大，REBCO 带材成本可能发生的变化。

在从不同市场应用场景讨论上述结果后，本文提出了一条技术路线图，目标是实现电力应用所需的20 $/(kA·m) 成本水平。

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