Akademik

МАГНИТ СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ

МАГНИТ СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ: соленоид или электромагнит с обмоткой из сверхпроводящего материала. Обмотка в состоянии сверхпроводимости обладает нулевым омич. сопротивлением. Если она замкнута накоротко, то наведённый в ней электрич. ток циркулирует, практически не изменяясь, сколь угодно долго и его магн. поле остаётся стабильным (лишённым пульсаций). Совр. М. с. позволяют получать поля до 150—200 кГс.

Обмотка М. с. теряет сверхпроводимость при повышении темп-ры выше критической температуры Тк сверхпроводника, при достижении в обмотке критич. тока Iк или критического магнитного поля Нк. Учитывая это, для обмоток М. с. применяют материалы с высокими значениями Тк, Iк и Hк (табл.).

Для предотвращения потери сверхпроводимости отд. участками обмотки обмоточные материалы выпускаются в виде проводов и шин, состоящих из тонких жил сверхпроводника в матрице норм. металла с высокой электро- и теплопроводностью (Си или А1). Жилы делают не толще неск. десятков мкм, что снижает тепловыделение в обмотке при проникновении в неё растущего с током магн. поля. Кроме того, весь проводник при изготовлении скручивают вдоль оси, что способствует уменьшению токов, наводящихся в сверхпроводящих жилах и замыкающихся через металл матрицы. Обмоточные материалы из хрупких интерметаллич. соединений Nb3Sn и V3Ga выпускают в виде лент из Nb или V толщиной 10—20 мкм со слоями интерметаллич. соединений (2—3 мкм) на обеих поверхностях. Такая лента для упрочнения покрывается тонким слоем меди или нержавеющей стали.

Сравнительно небольшие М. с. (с энергией магн. поля до неск. сотен кДж) изготовляют 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.

СВОЙСТВА СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ОБМОТОК СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МАГНИТОВ

Рис. 1. Осн. элементы конструкции сверхпроводящего магнита: 1 — контакт для присоединения к внеш. цепям; 2 — многожильный сверхпроводящий провод в изоляц. покрытии, припаянный к контакту; 3 — рабочий объём соленоида, макс. напряжённость поля создаётся в его центре; 4 — текстолитовый диск для монтажа контактов и закрепления соленоида в криостате; 5 — металлич. каркас соленоида; 6 — сверхпроводящая обмотка; 7 —силовой бандаж обмотки; 8 — изолирующие прокладки между слоями обмотки из полимерной плёнки или лакоткани.

Эл.-магн. вз-ствие витков соленоида создаёт механич. напряжения в обмотке, к-рые в случае длинного соленоида с полем = 100 кГс эквивалентны внутр. давлению = 400 ат (=3,9•107 Н/м2). Обычно для придания М. с. необходимой механич. прочности применяют спец. бандажи (рис. 1).

Рис. 2. Установка Института атомной энергии им. И. В. Курчатова, в к-рой испытываются секции сверхпроводящих магн. систем диаметром ок. 1 м. В ср. части фотографии видна закреплённая на крышке криостата испытываемая секция, внизу — цилиндрич. криостат.

Рис. 3. Схематич. 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; в — разрядное сопротивление; 7 — реле защиты; 8 — управляющее устройство.

Механич. напряжения могут быть значительно снижены такой укладкой витков обмотки, при к-рой линии тока близки по направлению к силовым линиям магн. поля всей системы в целом (т. н. «бессиловая» конфигурация обмотки).

При создании в обмотке М. с. электрич. тока требуемой величины сначала включают нагреватель, расположенный на замыкающем обмотку сверхпроводящем проводе (шунте). Нагреватель повышает темп-ру 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. 2) с жидким гелием (темп-pa кипящего гелия 4,2 К 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. 3).

М. с. используют для исследования магн. электрич. и оптич. св-в в-в, в экспериментах по изучению плазмы, ат. ядер и элем. ч-ц. М. с. получают распространение в технике связи и радиолокации, в кач-ве индукторов магн. поля электромашин. Принципиально новые возможности открывает сверхпроводимость в создании М. с.— индуктивных накопителей энергии с практически неограниченным временем её хранения.