Магнит сверхпроводящий

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 Т_к сверхпроводника, при достижении в обмотке критического тока I_k или критического магнитного поля Н_к. Учитывая это, для обмоток М. с. применяют материалы с высокими значениями Т_к, I_k и Н_к (см. таблицу).

Свойства сверхпроводящих материалов, применяемых для обмоток сверхпроводящих магнитов

  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 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 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 (3,9×10⁷ н/м²). 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 м³ 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.(перевод) с. англ.(английский), 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. 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. 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. 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.

Рис. 1а. Схематическое изображение многожильного сверхпроводящего провода: комбинированный скрученный проводник (1 — сверхпроводящие нити, 2 — матрица).