Магнит сверхпроводящий
Определение «Магнит сверхпроводящий» по БСЭ:
Магнит сверхпроводящий - Соленоид или Электромагнит с обмоткой из сверхпроводящего материала. Обмотка в состоянии сверхпроводимости 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 Tк сверхпроводника, при достижении в обмотке критического тока Ik или критического магнитного поля 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 4,2 K, кэ | Критическая температура TK, K | Критическая плотность тока (а/смІ) в магнитном поле |
50 кгс | 100 кгс | 150 кгс | 200 кгс |
Сплав ниобий - цирконий (Nb 50% - Zr 50%) | 90 | 10,5 | 1 ·105 | 0 | 0 | 0 |
Сплав ниобий - титан (Nb 50% - Ti 50%) | 120 | 9,8 | 3 ·105 | 1·104 | 0 | 0 |
Сплав ниобий - олово (Nb3Sn) | 245 | 18,1 | (1,5-2) ·106 | 1·106 | (0,7-1)·105 | (3-5)·104 |
Соединение ванадий - галлий (V3Ga) | 210 | 14,5 | 1 ·106 | (2-3)·105 | (1,5-2)·105 | (3-5) ·104 |
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 Nb
3Sn и V
3Ga 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 ∼100 кгс эквивалентны внутреннему
давлению ∼ 400 am (3,9·10
7 н/мІ).
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 Т
к, 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 мі 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 ∼40-60 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.
Магнит постоянный
Магнит сверхпроводящий
Магнитка