Сверхсильные магнитные поля. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Сверхсильные магнитные поля - поля с напряжённостью H

1 МЭ (граница условна). Классификацию магн. поля обычно связывают со способами получения полей. Слабые (до 0,5 кЭ) и средние (до 40 кЭ) магн. поля получают в лаб. условиях с помощью постоянных магнитов и электромагнитов. Для получения сильных стационарных полей до ~300 кЭ используют охлаждаемые и сверхпроводящие соленоиды (катушки) (см. Сверхпроводящий магнит). Поля св. 300 кЭ получают практически только в квазистационарных (длительность импульса

с) или импульсных (

< 10"³с) режимах при пропускании сильных электрич. токов через соленоиды разл. конструкций либо при сжатии внеш. силами магн. потока внутри замкнутого проводящего витка (лайнера). Генерация сверхсильных магнитных полей с напряжённостью

1 МЭ сопровождается существ. повреждениями материала катушек и даже их разрушением, т. е. магн. системы становятся пригодными только для однократного применения. Простейший способ получения сверхсильных магнитных полей - разряд батареи импульсных конденсаторов через одновитковый соленоид. Таким способом получают магн. поля до 4 МЭ. Поле в 4 МЭ обладает плотностью энергии

, сравнимой с энергией связи атома в твёрдых телах

(для металлов

имеет величину неск. эВ/ат). В зоне действия такого поля происходит, как правило, полное разрушение (превращения в пар) материала катушки. Самые высокие значения поля (вплоть до 25 МЭ) в лаб. условиях получают методом сжатия магн. потока с использованием энергии взрывчатых веществ (В В).

Совр. физику интересуют и более высокие поля, недостижимые пока в лаб. практике, их влияние на строение атомов и молекул и соответственно на физ. свойства веществ. Оказывается, что существенных эффектов можно ожидать, напр., когда силы со стороны магн. поля Н_ат становятся преобладающими по сравнению с кулоновским взаимодействием электрона с ядром. Это происходит, когда величина поля

Э. Ещё более сильное поле

Э определяет границы применимости классич. электродинамики. В полях Н > Н_КВ значит. роль играют не только релятивистские, но и квантовые эффекты.

Астрофиз. исследования указывают на существование гигантских магн. полей у нек-рых типов звёзд (см. Магнитные поля звёзд). Напр., у белых карликов обнаружены поля ~10⁷ Э, у быстровращающихся нейтронных звёзд (пульсаров) - Э. Ещё более высокие поля (

Э) зарегистрированы у рентгеновских пульсаров - в двойных звёздных системах, одна из к-рых является нейтронной звездой. Сжатие магн. потока при гравитац. коллапсе звезды может приводить к возникновению магн. полей 10¹⁴ Э. Эти уникальные природные источники открывают возможность для изучения сверхсильных магнитных полей такого уровня и их влияния на перестройку атомных структур, приводящую к появлению новых, необычных состояний вещества.

Сверхсльные магнитные поля, существующие в микромире, могут быть обнаружены при проведении нек-рых физ. экспериментов. Поля

Э имеются вблизи ядер свободных атомов, на что указывает сверхтонкая структура энергетич. уровней электронов (см. также Внутрикристаллическое поле). Сверхсильные магнитные поля возникают при форсировании мощных лазерных пучков. Напр., при фокусировке лазерного излучения мощностью Р = 10¹² Вт на площади S = 10^-4 см² плотность эл--магн. энергии P/cS в фокусе соответствует напряжённости поля

, т. e. ~ 10⁷ Э. Признаки существования магн. полей напряжённостью до 10⁸ Э обнаружены при кумуляции плазмы в установках типа плазменного фокуса. Магн. поля звёздного уровня должны возникать при нецентральных столкновениях тяжёлых ионов. Эквивалентный электрич. ток ионов при таких взаимодействиях может возбуждать магн. поле

. При относительной скорости ионов v = 0,1 с и суммарном заряде (Z₁ + Z₂) > 170 на очень коротких расстояниях Л, сравнимых с радиусом ядра, поле может достигать величины ~10¹⁴ Э.

Получение сильных и сверхсильных магнитных полей

Задачи получения сильных магн. полей в лаб. практике сводятся к созданию источников тока и спец. устройств (соленоидов, катушек, лайнеров и др.), в к-рых и генерируется поле при прохождении через них тока. Источники тока и соленоиды должны удовлетворять техн. требованиям, соответствующим уровню получаемых полей. Т. к. H

7, то в общем случае увеличение поля в соленоиде требует соответствующего роста тока I. А это в свою очередь приводит к увеличению выделения джоулева тепла в материале соленоида и росту в нём механич. напряжений (за счёт магн. составляющей Лоренца силы). Поэтому осн. проблемы на пути продвижения в область более сильных полей связаны с решением задач тепловой стойкости и механич. прочности соленоидов.

Сильные стационарные магнитные поля получают в водоохлаждаемых резистивных системах, состоящих, как правило, из 2-3 коаксиальных соленоидов разл. конструкций. Максимально достигнутое поле в рабочем зазоре 32-50 мм составляет 250 кЭ (Институт физики твёрдого тела им. М. Планка, Гренобль, Франция). Ограничение величины поля связано с проблемой охлаждения обмоток соленоидов. Мощность Р, рассеиваемая в катушке, связана с величиной поля H₀ в её центре соотношением

где r₀ - внутр. радиус катушки,

- уд. сопротивление проводника,

- коэф. заполнения (V₁ - объём проводника, V₀ - объём пространства в обмотке, незаполненный проводником), G - константа, характеризующая геометрию катушки. Чтобы получить, напр., поле Н = 100 кЭ в медной катушке с r₀ = 2 см при комнатной температуре, нужен источник тока мощностью Р 2 МВт. Для получения магн. поля в 250 кЭ использовался источник с Р 10 МВт, а расход охлаждающей дистиллиров. воды составил ~ 400 м³/ч. В качестве одной из секций резистивных соленоидов часто используется конструкция катушки, предложенная Ф. Биттером (F. Bitter, 1939). В ней металлич. диски с разрезами, служащие витками соленоида, и изолирующие прокладки образуют при сборке двойную спираль, а охлаждающая вода прогоняется через перфорацию в дисках (рис. 1). Резистивные стационарные магниты с их системами питания и охлаждения представляют собой крупные дорогостоящие сооружения, использующиеся во мн. науч. центрах. Дальнейшее повышение напряжённости стационарных полей в обычных резистивных системах ограничено техн. возможностями отвода больших мощностей, выделяющихся в малых объёмах. Кардинальное решение проблем тепловыделения при генерации сверхсильных магнитных полей даёт использование сверхпроводящих материалов. Однако макс. поля, получаемые в сверхпроводящих соленоидах, не превышают 175 кЭ, хотя критические магнитные поля (H_с) некоторых сверхпроводников имеют большие значения (напр., Н_с 250 кЭ в Nb₃Gе, H_с 350 кЭ в V₃Ga). Создание сверхпроводящих магн. систем с магн. полями > 175 кЭ затрудняется уменьшением с ростом поля критического тока и технол. проблемами

Использование комбиниров. магн. систем, сочетающих в одном устройстве резистивный и сверхпроводящий соленоиды, даёт перспективу получить стационарные магн. поля до 500 кЭ. В таких устройствах получено стационарное магн. поле напряжённостью 318 кЭ (Национальная магнитная лаборатория им. Ф. Биттера, США, 1987). Более высокие поля получают только в квазистационарном и импульсном режимах (рис. 2). Первые системы для получения таких сильных магн. полей были созданы П. Л. Капицей (1924).

Кваз и стационарны ми обычно наз. сильные магн. поля с длительностью импульсов поля (

с), при к-рой в соленоидах ещё слабо проявляется скин-эффект .Если напряжённость магн. поля при такой длительности импульсов не превышает 1 МЭ, его ещё можно получать в неразрушающихся системах. Для ограничения тепловыделения q ~

в материале катушки, растущего с повышением поля, используют два пути: уменьшение длительности импульса поля

и снижение уд. сопротивления

материала соленоида. (Предварительное охлаждение медной обмотки соленоида до температуры жидкого азота [77,4 К] снижает её уд. сопротивление в 8 раз, а охлаждение до температуры жидкого водорода [20,4 К] - в 1000 раз.) При больших значениях поля мощность, выделяющуюся в обмотке соленоида, невозможно снять в течение импульса охлаждающей жидкостью и, чтобы не допустить опасного перегрева, нужно рассчитывать только на собств. теплоёмкость обмотки. При конструировании криогенных соленоидов необходимо учитывать, что с ростом поля и снижением температуры у мн. металлов (напр., у Си) линейно с полем растёт магнетосопротивление. В качестве материала для криогенных соленоидов часто используют алюминий высокой чистоты (99,999%), т. к. его магнетосопротивление при температурах 20-30 К стремится к насыщению уже в полях 20- 40 кЭ. Помимо снижения электросопротивления глубокое охлаждение повышает механич. прочность материала соленоида, поэтому охлаждённые катушки выдерживают большие напряжённости поля. В полях

400 кЭ определяемое магн. полем давление

создаёт в элементах конструкции соленоидов механич. напряжения, превосходящие предел текучести

большинства традиционно используемых для их изготовления материалов (Си, разл. бронзы, А1 и др.). Пондеромоторные силы стремятся разорвать витки обмотки соленоида в радиальном направлении и сжимают их в осевом, разрушая изоляцию. Уменьшением длительности импульса поля можно добиться того, чтобы материал обмотки не претерпел за время импульса значит. деформации. Квазистационарные соленоиды - многовитковые системы, обладающие, как правило, большим отношением собственной индуктивности к сопротивлению, и их легко согласовать с любыми использующимися источниками тока: конденсаторными батареями, мотор-генераторами, униполярными генераторами.

Существует большое кол-во конструкций квазистационарных соленоидов: однослойные и многослойные, секционированные, спиральные, часто используется конструкция биттеровского типа. Для повышения прочности конструкций применяют пропитку обмоток компаундами и используют наружные бандажи из прочной стали и композитных материалов. Рабочие объёмы поля соленоидов колеблются от неск. см³ до неск. сотен см³, длительность импульсов у криогенных соленоидов, как правило, на 1

2 порядка выше, чем в тёплых. Ресурс соленоидов определяется не только механич. прочностью и тепловой стойкостью материала обмоток, но и качеством межвитковой электрич. изоляции. Из-за накопления неизбежных остаточных деформаций в материале обмоток и изоляции в процессе работы соленоидов их ресурс ограничен и составляет от неск. импульсов при макс. полях до неск. тысяч импульсов.

В ряде конструкций предложены способы, облегчающие решение проблем механич. прочности соленоидов. В конструкции с самоподдерживающимися обмотками соленоид разбивается на секции, в каждой из к-рых механич. напряжения не превышают предела прочности материала и не передаются от одной секции к другой. Суммарное воспроизводимое поле в таком соленоиде может быть ~1 МЭ. Однако при такой конструкции резко увеличиваются размеры и вес системы и снижается эффективность использования источника энергии (доли %). Для «бессиловых» конфигураций обмоток векторы плотности тока j и поля Н параллельны. В этом случае пондеромоторные силы

, приводящие к механич. напряжениям в витках, обращаются в нуль (для бесконечных систем). Для реальных (конечных) обмоток можно добиться существ, уменьшения действующих сил в одной части магнита, а другая его часть будет «удерживать» (обжимать) первую. Такие «бессиловые» конфигурации преобразуют высокое давление в малой области в низкое давление, распространённое на большую область, что приводит к увеличению размеров всей системы. Простейшая «бессиловая» конфигурация представляет собой обмотку, навитую на цилиндрич. каркас под углом 45° к образующей цилиндра. В такой системе наружное азимутальное поле равно внутреннему аксиальному.

Сверхсильные импульсные магнитные поля

Сверхсильные импульсные магнитные поля получают чаще всего при разряде ёмкостных накопителей энергии на одновитковые соленоиды (рис. 3). Одновитковые катушки, разрушающиеся при однократном использовании, являются наиб. простой конструкцией для получения импульсных магн. полей в диапазоне 1

4 МЭ. Внутр. диаметр и длина катушек обычно не превышают 1 см. Индуктивность их мала (L ~ нГн), поэтому для генерации в них сверхсильных полей требуются токи мегаамперного уровня. Их получают с помощью высоковольтных конденсаторных батарей с низкой собств. индуктивностью и запасаемой энергией W ~ 10⁴10⁶ Дж. Длительность импульсов получаемого поля

с, а время нарастания поля до макс. значения составляет обычно 0,5

2 мкс. Существ. роль в процессе генерации таких полей играет скин-эффект: ток концентрируется в тонком слое

на внутр. поверхности соленоида. Плотность тока может достигать очень больших величин j

3*10⁷ А/см². Следствием этого является возникновение в материале соленоида значит. градиентов температуры и магн. давления. Большие величины магн. давления

, преобразующиеся в пределах глубины скин-слоя

в механич. напряжение, инициируют ударно-волновое сжатие и пластич. течение материала соленоида за фронтом ударной волны. Из-за мощного энерговыделения

в скин-слое растёт уд. сопротивление

, проникновение поля в материал соленоида приобретает нелинейный характер, токовый слой с внутр. поверхности перемещается в глубь проводника. Процесс нагрева носит адиабатич. характер. Темп-ру поверхности в этом случае можно оценить по ф-ле

, где c_v - уд. теплоёмкость при пост, объёме,

- плотность материала катушки (величина Н выражена в МЭ). Уже при Н = 1 МЭ поверхностный слой катушки, выполненный из тугоплавких металлов, начинает плавиться. С дальнейшим ростом поля область плавления распространяется в глубь проводника, а на его поверхности начинается испарение материала. «Волна испарения» проникает внутрь проводника, вследствие чего он теряет проводимость. Одновременно создаются условия для развития неустойчивостей на границе поле - проводник и электрич. пробоя слоя металлич. паров, образующихся вблизи поверхности соленоида (характерные времена этих процессов сравнимы с длительностью импульса поля

. а их интенсивность резко нарастает с увеличением Н). В итоге происходит взрывообразное разрушение материала соленоида («взрыв скин-слоя»). За время т возрастает размер области, занимаемой полем в соленоиде, увеличиваются индуктивность и сопротивление соленоида. Это приводит к нарушению линейной зависимости между Н и I (рис. 4) и пространственной нестационарное™ поля. При генерации мега-эрстедных импульсных полей (Н ~ 1

4 МЭ) осн. роль играют физ. процессы взаимодействия поля с материалом соленоида. Количеств. характеристики физ. процессов зависят не только от величины поля Н, скорости его изменения dH/dt,, но и от физ. свойств материала соленоида и его размеров. По совокупности свойств лучше др. металлов противостоит разрушающему действию мегаэрстедного поля тантал. Это связано с высокой плотностью и температурой плавления Та, с характером распространения ударных волн (при к-ром обеспечивается малая скорость частиц), с высокой вязкостью, обеспечивающей целостность катушки при ударных нагрузках, и др. Разл. способы внеш. упрочнения конструкций импульсных соленоидов практически не оказывают влияния на величину генерируемого поля, т. к. за короткое время

его существования возмущения из зоны взаимодействия поля с материалом катушек, где выделяется осн. энергия, не успевают распространиться на большой объём.

Метод сжатия магнитного потока

Метод сжатия магнитного потока - (магн. кумуляция) позволяет получить макс. магн. поля в условиях лаборатории. Если внутри проводящей цилиндрич. оболочки (лайнера) с радиусом r₀ и сечением

создать аксиальное магн. поле Н₀ и затем симметрично и достаточно быстро сжать лайнер внеш. силами [за время t уменьшив радиус до r(t)], то магн. поток Ф = H₀S₀ внутри лайнера не успеет измениться и поле возрастёт:

. Идея магн. кумуляции предложена А. Д. Сахаровым (1951) и реализована в виде устройств, получивших назв. магнитокумулятивных генераторов сверхсильных магнитных полей МК-1 (рис. 5). Сжатие лайнера осуществлялось давлением продуктов взрыва хим. ВВ. Источником тока для создания начального магн. поля может служить конденсаторная батарея или др. магни-токумулятивный генератор энергии (МК-2), используемый как импульсный генератор тока. В нём эл--магн. импульсы генерируются при прямом преобразовании энергии взрыва в энергию поля в процессе сжатия и вытеснения магн. потока в нагрузку. В экспериментах были получены поля напряжённостью ок. 5 МЭ в полости диам. 10 мм. В одном из опытов в полости диам. 4 мм удалось зарегистрировать рекордное поле 25 МЭ (1964). В аналогичном эксперименте в Лос-Аламосе (США) было получено поле ~15 МЭ. Однако неустойчивость магн. кумуляции явилась причиной невоспроизводимого характера генерации сверхсильных магнитных полей. Возникающие неустойчивости связаны с развитием возмущений на границе поле - вещество и имеют ту же природу, что и в случае генерации мегаэрстедных полей в соленоидах.

Стабилизация процесса магн. кумуляции возможна при сжатии магн. потока системой последовательно включаемых коаксиальных оболочек (А. И. Павловский, ВНИИ экспериментальной физики, Арзамас, 1980). Оболочки устроены так, что они свободно пропускают магн. поток, пока неподвижны, и захватывают его, когда начинают двигаться. Неподвижная оболочка (проницаемая для аксиального магн. потока) состоит из тонких изолированных друг от друга медных проводников. Под действием ударной волны сжатия, возникающей при столкновении движущейся оболочки с неподвижной, изоляция проводников разрушается. Образуется сплошная медная оболочка с изотропной проводимостью. Каждый раз, когда возникает угроза потери устойчивости разогретой внутр. границы оболочки, эта оболочка заменяется новой, холодной, к-рой передаются функции дальнейшего сжатия потока. Такие устройства наз. каскадными генераторами сверхсильных магнитных полей (рис. 6). Их основное достоинство заключается в том, что они обеспечивают стабильность работы и высокую воспроизводимость сверхсильных магнитных полей. В каскадных генераторах устойчиво воспроизводятся поля напряжённостью до 16 МЭ в объёме ~ 5 см³. Плотность магн. энергии такого поля в 100 раз превышает плотность энергии хим. ВВ, а давление магн. поля достигает 10 Мбар.

Возможности каткадного генератора (при использовании хим. ВВ) дают надежду на получение полей до 30 МЭ в объёме 1

5 см³, а при использовании энергии относительно небольшого ядерного взрыва - до 10³ МЭ.

Сжатие магн. потока, заключённого внутри цилиндрич. лайнера, может производиться также и электродинамич. силами, создаваемыми возрастающим магн. полем внеш. катушки. Расчёты показывают, что этот способ позволяет получать большие скорости радиального сжатия лайнера, и следовательно можно надеяться и на более высокие поля, чем при использовании ВВ. Практически в таких системах получены поля до 3,2 МЭ. Вследствие конечной проводимости материала лайнера часть магн. потока, создаваемого внеш. катушкой, может проникать на начальных стадиях ускорения внутрь лайнера, а затем сжиматься. Поэтому в системах с эл--магн. сжатием можно обойтись без предварит. создания магн. потока внутри лайнера.

Применение сверхсильных магнитных полей

Начало использованию сильных магн. полей в физ. исследованиях было положено трудами П. Л. Капицы. В кон. 1920-х гг. он провёл в полях до 320 кЭ обширные исследования магнетосопротивления, намагниченности, магнитострикции, Зеемана эффекта, траекторий заряж. частиц. Макс. интерес вызывают сверхсильные магнитные поля в физике твёрдого тела. Они применяются в исследованиях гальваномагн., термомагн., оптич., магн--оптич., резонансных явлений. Оптич. и магн--оптич. исследования свойств мн. веществ проведены в полях до 10 МЭ, в т. ч. при низких темп-pax исследовано влияние сверхсильных магнитных полей на энергетич. спектры, зонную структуру и др. характеристики твёрдого тела. В полях до 2 МЭ исследовались спектры поглощения и циклотронный резонанс в полупроводниках, Фарадея эффект в видимой и ИК-областях спектра, зеемановское расщепление спектральных линий, магнетосопротивление тонких висмутовых проволок, проводятся исследования сверхпроводников с высокими критич. полями и др. В ядерной физике и физике элементарных частиц сверхсильных магнитных полей используют для идентификации частиц, фокусировки и отклонения заряж. частиц, для генерации мощного тормозного излучения и т. д. Сверхсильные магнитные поля широко применяются в исследованиях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу. Импульсное сверхсильное магнитное поле - источник для получения квазигидростатич. давлений до 5 Мбар, в к-рых проведены исследования ур-ния состояний ряда веществ, изучается сжатие твёрдого водорода при Т 4

6 К. Энергия магн. поля напряжённостью ~ 10

15 МЭ превышает энергию связи частиц в твёрдых телах, магн. давление превышает давление в центре Земли. Такие поля используются для изучения свойств веществ в экстремальных условиях. Сильные магн. поля находят применение в химии, биологии, широко используются в технол. целях (напр., для магнитно-импульсной обработки и сварки металлов).

Измерения напряжённости сверхсильного магнитного поля производятся прокалиброванными индукционными датчиками (магн. зондами), а также по величине эффекта Фарадея и эффекта Зеемана. В астрофиз. измерениях уровень сверхсильных магнитных полей оценивается по степени круговой поляризации непрерывного излучения.

Литература по сверхсильным магнитным полям

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.