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 релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира