Сверхпроводящие магниты

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 Магнит сверхпроводящий, исключительно стабильно и лишено пульсаций, что важно для ряда приложений в научных исследованиях и технике. Магнит сверхпроводящий теряет свойство сверхпроводимости при повышении температуры выше критической температуры Тк сверхпроводника, при достижении в обмотке критического тока Ik или критического магнитного поля Нк. Учитывая это, для обмоток Магнит сверхпроводящий 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/см2) в магнитном поле
Материал	HK при 4,2 K, кэ	Критическая температура TK, K	50 кгс	100 кгс	150 кгс	200 кгс
Сплав ниобий – цирконий	(Nb 50% – Zr 50%)	90	10,5	1·105	0	0
Сплав ниобий – титан	(Nb 50% – Ti 50%)	120	9,8	3·105	1·104	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 Магнит сверхпроводящий (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 Магнит сверхпроводящий (с энергией магнитного поля до нескольких сотен кдж) изготавливают с плотно намотанной обмоткой, содержащей 30-50% сверхпроводника в сечении провода. У крупных Магнит сверхпроводящий, 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 (3,9Ч107 н/м2). Обычно для придания Магнит сверхпроводящий 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 Магнит сверхпроводящий 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 Магнит сверхпроводящий и замыкающем её проводе начинает циркулировать незатухающий ток.

Работающий Магнит сверхпроводящий 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 Магнит сверхпроводящий энергии в цепи Магнит сверхпроводящий имеется устройство для вывода энергии на разрядное сопротивление (рис. 4). Предельная напряжённость магнитного поля Магнит сверхпроводящий 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 Магнит сверхпроводящий 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 Магнит сверхпроводящий и его охлаждение приблизительно в 500 раз меньше, чем для обычных электромагнитов. Для обеспечения работы такого Магнит сверхпроводящий требуется около 100-150 квт, тогда как для эксплуатации аналогичного водоохлаждаемого магнита потребовалась бы мощность ~40-60 Мвт.

Значительное число созданных Магнит сверхпроводящий используется для исследования магнитных, электрических и оптических свойств веществ, в экспериментах по изучению плазмы, атомных ядер и элементарных частиц. Магнит сверхпроводящий получают распространение в технике связи и радиолокации, в качестве индукторов магнитного поля электромашин. Принципиально новые возможности открывает сверхпроводимость в создании Магнит сверхпроводящий - индуктивных накопителей энергии с практически неограниченным временем её хранения.

Литература:

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.

к оглавлению

Знаете ли Вы, что только в 1990-х доплеровские измерения радиотелескопами показали скорость Маринова для CMB (космического микроволнового излучения), которую он открыл в 1974. Естественно, о Маринове никто не хотел вспоминать. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира