Магнит сверхпроводящий
Магнит сверхпроводящий - Соленоид или Электромагнит с обмоткой из сверхпроводящего материала. Обмотка в состоянии сверхпроводимости (См. Сверхпроводимость) обладает нулевым омическим сопротивлением. Если такая обмотка замкнута накоротко, то наведённый в ней электрический ток сохраняется практически сколь угодно долго. Магнитное поле незатухающего тока, циркулирующего по обмотке М. с., исключительно стабильно и лишено пульсаций, что важно для ряда приложений в научных исследованиях и технике.
Обмотка М. с. теряет свойство сверхпроводимости при повышении температуры выше критической температуры (См. Критическая температура) Тк сверхпроводника, при достижении в обмотке критического тока (См. Критический ток) Ik или критического магнитного поля (См. Критическое магнитное поле) Нк. Учитывая это, для обмоток М. с. применяют материалы с высокими значениями Тк, Ik и Нк (см. таблицу).
Свойства сверхпроводящих материалов, применяемых для обмоток сверхпроводящих магнитов
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
| Материал | HK при | Критическая | Критическая плотность тока (а/см2) |
| | 4,2 K, кэ | температура | в магнитном поле |
| | | TK, K |--------------------------------------------------------------------------------------|
| | | | 50 кгс | 100 кгс | 150 кгс | 200 кгс |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Сплав ниобий - цирконий | 90 | 10,5 | 1·105 | 0 | 0 | 0 |
| (Nb 50% - Zr 50%) | | | | | | |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Сплав ниобий - титан | 120 | 9,8 | 3·105 | 1·104 | 0 | 0 |
| (Nb 50% - Ti 50%) | | | | | | |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Сплав ниобий - олово (Nb3 | 245 | 18,1 | (1,5-2)·106 | 1·106 | (0,7-1)·105 | (3-5)·104 |
| Sn) | | | | | | |
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
| Соединение ванадий - | 210 | 14,5 | 1·106 | (2-3)·105 | (1,5-2)·105 | (3-5)·104 |
| галлий (V3Ga) | | | | | | |
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Для стабилизации тока в обмотке М. с. (предотвращения потери сверхпроводимости отдельными её участками) сверхпроводящие обмоточные материалы выпускаются в виде проводов и шин, состоящих из тонких жил сверхпроводника в матрице нормального металла с высокой электро- и теплопроводностью (медь или алюминий). Жилы делают не толще нескольких десятков мкм, что снижает тепловыделение в обмотке при проникновении в неё растущего с током магнитного поля. Кроме того, весь проводник при изготовлении скручивают вдоль оси (рис. 1а, 1б), что способствует уменьшению токов, наводящихся в сверхпроводящих жилах и замыкающихся через металл матрицы. Обмоточные материалы из хрупких интерметаллических соединений Nb3Sn и V3Ga выпускают в виде лент из Nb или V толщиной 10-20 мкм со слоями интерметаллида (2-3 мкм) на обеих поверхностях. Такая лента для стабилизации сверхпроводящего тока и упрочнения покрывается тонким слоем меди или нержавеющей стали.
Сравнительно небольшие М. с. (с энергией магнитного поля до нескольких сотен кдж) изготавливают с плотно намотанной обмоткой, содержащей 30-50% сверхпроводника в сечении провода. У крупных М. с., с энергией поля в десятки и сотни Мдж, проводники (шины) в своём сечении содержат 5-10% сверхпроводника, а в обмотке предусматриваются каналы, обеспечивающие надёжное охлаждение витков жидким гелием.
Электромагнитное взаимодействие витков соленоида создаёт механические напряжения в обмотке, которые в случае длинного соленоида с полем Магнит сверхпроводящий100 кгс эквивалентны внутреннему давлению Магнит сверхпроводящий 400 am (3,9․107 н/м2). Обычно для придания М. с. необходимой механической прочности применяют специальные бандажи (рис. 2). В принципе, механические напряжения могут быть значительно снижены такой укладкой витков обмотки, при которой линии тока совпадают с силовыми линиями магнитного поля всей системы в целом (так называемая «бессиловая» конфигурация обмотки).
При создании в обмотке М. с. электрического тока требуемой величины сначала включают нагреватель, расположенный на замыкающем обмотку сверхпроводящем проводе. Нагреватель повышает температуру замыкающего провода выше его Тк, и цепь шунта перестаёт быть сверхпроводящей. Когда ток в соленоиде достигнет требуемой величины, нагреватель выключают. Цепь шунта, охлаждаясь, становится сверхпроводящей, и после снижения тока питания до нуля в обмотке М. с. и замыкающем её проводе начинает циркулировать незатухающий ток.
Работающий М. с. находится обычно внутри криостата (рис. 3) с жидким гелием (температура кипящего гелия 4,2 K ниже Тк сверхпроводящих обмоточных материалов). Для предотвращения возможных повреждений сверхпроводящей цепи и экономии жидкого гелия при выделении запасённой в М. с. энергии в цепи М. с. имеется устройство для вывода энергии на разрядное сопротивление (рис. 4). Предельная напряжённость магнитного поля М. с. определяется в конечном счёте свойствами материалов, применяемых для изготовления обмотки магнита (см. таблицу).
Современные сверхпроводящие материалы позволяют получать поля до 150-200 кгс. Стоимость крупных М. с. с напряжённостью поля порядка десятков кгс в объёме нескольких м3 практически не отличается от затрат на сооружение водоохлаждаемых соленоидов с такими же параметрами, в то время как суммарные затраты электрической энергии на питание М. с. и его охлаждение приблизительно в 500 раз меньше, чем для обычных электромагнитов. Для обеспечения работы такого М. с. требуется около 100-150 квт, тогда как для эксплуатации аналогичного водоохлаждаемого магнита потребовалась бы мощность Магнит сверхпроводящий40-60 Мвт.
Значительное число созданных М. с. используется для исследования магнитных, электрических и оптических свойств веществ, в экспериментах по изучению плазмы, атомных ядер и элементарных частиц. М. с. получают распространение в технике связи и радиолокации, в качестве индукторов магнитного поля электромашин. Принципиально новые возможности открывает сверхпроводимость в создании М. с. - индуктивных накопителей энергии с практически неограниченным временем её хранения.
Лит.: Роуз-Инс А., Родерик Е., Введение в физику сверхпроводимости, пер. с. англ., М., 1972; Зенкевич В. Б., Сычев В. В., Магнитные системы на сверхпроводниках, М., 1972; Кремлёв М. Г., Сверхпроводящие магниты, «Успехи физических наук», 1967, т. 93, в. 4.
Б. Н. Самойлов.
Рис. 1б. Поперечное сечение многожильного комбинированного проводника с 61 нитью (слева) и 1045 нитями (справа) в медной матрице.
Рис. 3. Установка Института атомной энергии им. И. В. Курчатова, в которой испытываются секции сверхпроводящих магнитных систем диаметром около 1 м. В средней части фотографии видна закрепленная на крышке криостата испытываемая секция (С), внизу - цилиндрический криостат (К).
Рис. 1а. Схематическое изображение многожильного сверхпроводящего провода: комбинированный скрученный проводник (1 - сверхпроводящие нити, 2 - матрица).
Рис. 2. Основные элементы конструкции сверхпроводящего магнита: 1 - контакт для присоединения к внешним цепям; 2 - многожильный сверхпроводящий провод в изоляционном покрытии, припаянный к контакту; 3 - рабочий объём соленоида, максимальная напряжённость поля создаётся в его центре; 4 - текстолитовый диск для монтажа контактов и закрепления соленоида в криостате; 5 - металлический каркас соленоида; 6 - сверхпроводящая обмотка; 7 - силовой бандаж обмотки; 8 - изолирующие прокладки между слоями обмотки из полимерной плёнки или лакоткани.
Рис. 4. Схематическое изображение включения сверхпроводящего магнита в цепи питания и защиты (разрядки): 1 - дьюар с жидким азотом; 2 - дьюар с жидким гелием; 3 - соленоид; 4 - нагреватель; 5 - источник питания соленоида; 6 - разрядное сопротивление; 7 - реле защиты; 8 - управляющее устройство.