摘要
运行于极低温、强磁场、大电流等极端多场条件下的超导磁体，其内部结构的力学变形和热扰动等极易触发临界特性，引起超导性能的退化，甚至会导致整体结构的失效和破坏。因此，对超导磁体结构内部的力学和热学等多场特征的刻画和表征尤为重要。然而，目前相关极端多场环境下超导磁体结构内部力学和热学等多场性能测量技术国外尚少涉及，国内几乎为空白。另一方面，针对运行于极端多场环境(＜77K)中的光纤布拉格光栅(FBG)传感器在温度检测技术方面尚有很大的不足，亟需发展可适用于极端多场环境中的FBG温度传感器，为FBG传感器埋入超导磁体结构内部，实现分布式温度表征与测量提供基础的技术保障。 本论文针对极端多场环境中超导磁体内部力学和热学等多场性能等测试关键技术问题，利用自主研制的能够提供极端低/变温环境的力学和热学标定系统，开展埋入式FBG传感器的力学和热学传感性能实验表征研究。基于FBG传感器可同时用于测量应变和温度的特点，发展可将FBG传感器埋入超导磁体结构内部，实现分布式应变和温度测量技术。 首先，介绍参与研制的低温力学性能标定系统和干冷式极低/变温热学性能标定系统，重点描述了干冷式极低/变温热学性能标定系统的数据采集与监视子系统。利用上述的两个系统不仅可完成超导材料及磁体的力学和热学多场性能测试，而且可对各类力学、热学传感器开展极低变温环境下的实验标定，为开展埋入式FBG传感器的力学和热学传感性能实验研究提供测试平台。 其次，基于FBG应变测量技术，结合钇钡铜氧(YBCO)高温超导带材的结构以及超导线圈的固化材料及工艺技术，利用低温粘结剂等特殊工艺将FBG传感器封装至超导带材的一侧，且几乎不影响带材的尺寸，发展将FBG传感器随带材绕制于磁体结构内部，自然地埋入线圈层/匝间，测量超导磁体结构内部结构的力学变形等。针对自主研制的4种埋入式FBG制备工艺，对其进行了相关实验研究。结果表明：所发展的埋入式FBG传感测量技术在室温和液氮温区下具有较高的测量精度，在极低温、高载荷等极端条件下无明显的啁啾现象，可应用于高温超导结构内部的应变测量。 最后，利用增敏材料的热变形来提高FBG传感器的极低温灵敏度，将FBG传感器封装于特定的增敏材料中，研制了一种可适用于极端环境(＜77K)的埋入式FBG温度传感器。定性地分析影响埋入式FBG传感器温度灵敏度的参数，并且在280K~3K的连续变温环境中开展不同埋入式FBG制备工艺的实验研究。结果表明：在FBG传感器被正确封装的情况下，实验测得的结果和定性分析的结果基本一致；所发展的埋入式FBG传感器在连续大幅变温环境中具有较高的测量精度和存活率，无光损、迟滞、啁啾等现象，为FBG传感器埋入超导结构内部表征极端低温，提供了基础的技术保障。
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