Süperiletken tüplerde manyetik perdeleme ve tuzaklama özelliklerinin simülasyonu
Simulation of magnetic shielding and traping properties in superconductor tubes
Yazar: AHMET AKYILDIRIM
Danışman: PROF. DR. SELAHATTİN ÇELEBİ
Iğdır Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Formülasyon = Formulation ; Manyetik akı = Magnetic flux ; Perdeleme = Screening ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method ; Süper iletkenler = Superconductors

Özet:
Bu çalışmada, içi boş silindirik yüksek sıcaklık süperiletken (HTS) tüplerin dışardan uygulanan manyetik alanı perdeleme ve tuzaklama özellikleri üzerine simülasyonlar yapıldı. Simülasyon hesaplamaları için Comsol Multiphysics yazılım paketinden yararlanarak manyetik özellikler için kullanılan en popüler metotlardan biri olan H-Formülasyon seçildi. 
İlk adımda herhangi bir HTS tüp için yapılan simülasyonda, tüpün yüksekliğine paralel yönde uygulanan manyetik olan sonucu tüpün manyetik perdeleme ve tuzaklama değerleri elde edildi. Ve uygulanan manyetik alanın fonksiyonu olarak tüpün içerisinde oluşan manyetik akı yoğunluğunun değişimi incelendi. İlk adımda tüpe uygulanan manyetik alan arttırılıp maksimum seviyeye getirildi. Sonra zıt yönde manyetik alan azalttırılarak Ha=0 değerine getirildiğinde tüpün manyetik perdeleme ve tuzaklama değerleri sırasıyla B*=29.5 mT ve BT=30 mT olarak hesaplandı. Sonra aynı HTS tüp için kritik akım yoğunluğunun manyetik alana bağlılığını karakterize eden manyetik akı yoğunluğu referansı B0, elektrik alan ile kritik akım yoğunluğu arasındaki bağlılığı karakterize eden (E'nin J'ye göre değişim parametresi) n, tüp yüksekliği h, ve tüp kalınlığı w gibi parametrelerin herbirisi için üç farklı değer kullanarak manyetik perdeleme ve tuzaklama özellikleri incelenip hesaplamalar elde edildi. Yapılan hesaplamalarda B0 değeri, yükseklik h ve kalınlık w değeri arttırıldığı zaman manyetik perdeleme etkisi ve tuzaklanan manyetik akı değerlerinin arttığı görüldü. Ancak n değeri arttırıldığında ise manyetik perdeleme etkisi ve tuzaklanan manyetik akı yoğunluğu değerinin azaldığı görüldü.
Son olarak literatürde yayımlanan bu konudaki deneysel verilere uyum eğrileri hesaplanarak simülasyon hesaplarının geçerliliği test edildi ve oldukça iyi bir uyum sağladığı görüldü. Bu bağlamda önce bir süperiletken tüp için sonra iki ayrı süperiletken tüpün toplamı için manyetik perdeleme ve tuzaklama hesaplamaları yapıldı. Yapılan hesaplamalarda birinci HTS tüp için B*=23 mT, BT=23.5 mT olduğu görüldü. Sonra iki HTS tüpün toplamı için yapılan hesaplamada B*=38 mT, BT=37.5 mT olduğu görüldü. Ayrıca farklı manyetik alan uygulamaları esnasında gerek HTS numunenin içinde gerekse HTS numunenin kavitesinde akı yoğunluğu profilinin nasıl değiştiği gösterildi.

Abstract:
In this study, simulations were performed on the shielding and trapping properties of the externally applied magnetic field of hollow cylindrical high temperature superconducting (HTS) tubes. H-Formulation, one of the most popular methods used for magnetic properties, was chosen by using the Comsol Multiphysics software package for simulation calculations.
In the first step, in the simulation for any HTS tube, magnetic shielding and trapping values of the tube were obtained as a result of the magnetic applied in the direction parallel to the height of the tube. And the change of magnetic flux density in the tube as a function of the applied magnetic field was examined. In the first step, the magnetic field applied to the tube was increased and brought to the maximum level. Then, when the magnetic field was reduced in the opposite direction and brought to Ha=0, the magnetic shielding and trapping values of the tube were calculated as B*=29.5 mT and BT=30 mT, respectively. Then for the same HTS tube, the magnetic flux density reference B0, which characterizes the dependence of the critical current density on the magnetic field, n, the tube height h, and the tube thickness w, which characterizes the dependence electric field and the critical current density. By using three different values for each of the parameters, such as magnetic shielding and trapping properties, calculations were obtained. In the calculations, it was observed that the magnetic shielding effect and the trapped magnetic flux values increased when the B0 value, height h and thickness w value were increased. However, when the n value was increased, it was observed that the magnetic shielding effect and the trapped magnetic flux density value decreased.
Finally, the validity of the simulation calculations was tested by calculating the fit curves to the experimental data on this subject published in the literature, and it was seen that there was a very good fit. In this context, magnetic shielding and trapping calculations were performed first for one superconducting tube and then for the sum of two separate superconducting tubes. In the calculations, it was seen that B*=23 mT, BT=23.5 mT for the first HTS tube. Then, in the calculation made for the sum of the two HTS tubes, it was seen that B*=38 mT, BT=37.5 mT. In addition, it has been shown how the flux density profile changes both inside the HTS sample and in the cavity of the HTS sample during different magnetic field applications.