СВЕРХПРОВОДЯЩИИ МАГНИТ

СВЕРХПРОВОДЯЩИИ МАГНИТ

- электромагнит, в к-ром ток, создающиймагн. поле, протекает в осн. по сверхпроводнику, вследствие чего омическиепотери в обмотке С. м. весьма малы. С. м. наматывают сверхпроводящим проводом, <состоящим, как правило, из волокон сверхпроводящего материала (напр., сплаваниобия с титаном или соединения типа А-15: Nb₃Sn, V₃Gd),заключённых в матрице из несверхпроводящего металла. Обмотку С. м. помещаютв криостат, поддерживающий темп-ру ниже темп-ры перехода проводовобмотки в сверхпроводящее состояние. Ведутся работы над созданием С. м. <с использованием высокотемпературных сверхпроводников, открытых в 1986(см. Оксидные высокотемпературные сверхпроводники).

Параметры С. м. принципиально ограничены свойствами сверхпроводящегопровода: значением его критич. темп-ры, критическим магнитным полем итоконесущей способностью ( критическим током). Ниобийтитановые С. <м. позволяют получать при 4,2 К магн. индукцию В 10Тл, а ниобий-оловянные С. м.- В 20Тл. Первонач. попытки применить в С. м. сверхпроводники 1-го рода [X. Камерлинг-Оннес(Н. Kamerlingh-Onnes), 1911] оказались неудачными из-за низких значенийкритич. магн. полей этих материалов. Первые С. м. из совр. материалов (изт. н. жёстких сверхпроводников 2-го рода) были созданы в 1961.

Достоинством С. м. по сравнению с обычными резистивными электромагнитамиявляется малое потребление энергии, в осн. на компенсацию теплоты, поступающейчерез теплоизоляцию криостата, по несверхпроводящим токовводам, а такжена тепловыделение в омических контактах между отрезками сверхпроводящихпроводов. В С. м. с пост. индукцией расход энергии по крайней мере в тысячураз меньше, чем омические потери в резистивных обмотках обычных электромагнитовтакого же назначения. Капитальные затраты на создание крупных С. м. сопоставимыс затратами на создание резистивных электромагнитов - относительно высокаястоимость сверхпроводящей обмотки компенсируется отсутствием необходимостив мощных источниках питания и громоздких системах её водяного охлаждения. <Макс. размеры С. м. ограничиваются не энергетич. соображениями, а прочностьюматериалов, из к-рых изготовляют бандаж С. м. Существуют проекты С. м. <с характерными размерами до неск. сотен метров.

Рабочая темп-pa совр. С. м. лежит в диапазоне 1,8 - 10 К, хладагентомслужит жидкий или газообразный гелий. Большинство С. м. работает в криостатах, <залитых жидким гелием, кипящим при атмосферном или пониженном давлении. <Иногда применяют косвенное охлаждение обмотки, при к-ром теплопроводностьвещества (компаунда), пропитывающего обмотку, позволяет отвести от неётеплоту к конструктивным элементам, омываемым жидким гелием. В С. м. сзаметным тепловыделением, обусловленным либо гистерезисными и кооперативнымипотерями в сверхпроводящем проводе в переменном магн. поле, либо радиац. <потерями, применяют проточное охлаждение, создавая принудит. движение хладагентачерез обмотку. В особо крупных С. м. и в С. м. сложной конфигурации нередкоиспользуют циркуляц. охлаждение, направляя поток хладагента по герметичномуканалу, совмещённому с обмоточным проводом.

Специфич. недостатком С. м. является возможность его выхода из рабочегорежима вследствие потери обмоткой сверхпроводимости, причём это может произойтипри значениях тока, существенно меньших токснесущей способности провода(даже при значениях индукции и темп-ры, соответствующих расчётным рабочимпараметрам С. м.). Это явление наз. деградацией сверхпроводящего проводав обмотке С. м. Переход обмотки С. м. в нормальное (несверхпроводящее)состояние сопровождается диссипацией запасённой эл.-магн. энергии, разогревомобмотки и возникновением внутри неё значит. электрич. напряжений, что можетповести к повреждению С. м. Физ. природа деградации связана с тем, чтов напряжённой пондеромоторными силами обмотке С. м. происходят микрособытия(возмущения), сопровождающиеся тепловыделением (движение витков, растрескиваниекомпаунда, проскальзывание обмотки относительно каркаса), к-рые могут привестик превышению критич. темп-ры в захваченном этим возмущением объёме провода. <Величина и вероятность таких возмущений пока не поддаются расчёту, но ихестественно связать с уровнем достигаемых в обмотке механич. напряжений, <что позволяет объяснить тот эмпирич. факт, что деградации в большей степениподвержены крупные С. м. и С. м. некруглой формы. Механич. возмущения, <амплитуда к-рых недостаточна для перевода сверхпроводника в норм. состояниенепосредственно, могут спровоцировать т. н. термомагн. неустойчивость ипривести к деградации. В процессе развития неустойчивости выделяется дополнит. <энергия, запасённая в токах, экранирующих сверхпроводящий провод, когдаон находится во внеш. магн. поле. Эта энергия тем больше, чем больше диаметрсверхпроводящих волокон и их крптич. ток, поэтому обмотки из проводов столстыми волокнами и из проводов с высокой токонесущей способностью болееподвержены деградации. В С. м. с медленно изменяющимся магн. полем, таким, <что возникающее электрич. поле нигде в проводе не превышает «электрич. <поля срыва» (0,1-10 мкВ/см), термомагн. неустойчивость не развивается самопроизвольнои для перевода провода в норм. состояние необходимо внеш. возмущение конечнойвеличины. В обмотках с быстро меняющимся полем возможно спонтанное развитиетермомагн. неустойчивостей.

Увеличение или уменьшение норм. зоны, возникшей в обмотке под влияниемвозмущения, зависит от баланса выделения в этой зоне тепла н теплообменав обмотке. Несверхпроводящая зона может исчезнуть, и при этом режим С. <м. не нарушится, а может и распространиться по обмотке. Защита С. м. вэтом случае заключается в уменьшении тока в обмотке со скоростью, позволяющейне допустить чрезмерного перегрева обмоточного провода и слишком быстрогоиспарения жидкого гелия, но и не столь большой, чтобы растущие в обмоткеэлектрич. напряжения могли повредить изоляцию провода.

Выбор способа защиты обмотки при переходе её в норм. состояние зависитот скорости распространения в ней норм. зоны. В С. м., в к-рых эта скоростьмала, применяют активную защиту: отключив источник питания, представляюттоку возможность затухнуть на сопротивлении, расположенном вне криостата. <При невозможности применения активной защиты стараются искусственно увеличитьскорость распространения норм. зоны, чтобы запасённая энергия выделиласьв обмотке возможно равномернее и не привела к локальным перегревам.

Меры борьбы с деградацией заключаются в уменьшении частоты и амплитудымеханич. возмущений (для этого закрепляют провод по всей длине обмотки).Саму обмотку делают возможно более жёсткой и ограничивают возможности развитиятермомагн. неустойчивости, используя обмоточные провода с весьма тонкимисверхпроводящими волокнами (0,1-30 мкм), скрученными вокруг продольнойоси. Повышают также устойчивость к возмущениям и обеспечивают условия дляисчезновения в проводе норм. зоны, если она возникла (для этого в сечениипровода увеличивают долю норм. металла с высокой электропроводностью, повышаютэфф. теплоёмкость провода и улучшают его теплообмен с жидким гелием). Приобеспечении отвода к хладагенту практически всего тепла, генерируемогопри рабочем токе в проводе, нагретом до критич. темп-ры, возникшая норм. <зона неизбежно исчезает. Такие стационарно стабилизиров. обмотки наиб. <надёжны, но этот метод используют лишь в особо крупных С. м., посколькутребующееся кол-во норм. металла и значит. сечение необходимых для хладагентаканалов резко снижают ср. плотность тока в обмотке (до 3-10*10⁷ А/м ²), делая её весьма громоздкой. Необязательное осуществлениехорошего теплообмена в обмотках, где возмущения ограничены, позволяет достигатьв них высоких ср. плотностей тока (2-5*10⁸ А/м ²). Однако обычно эти значения заметно меньше критич. плотности тока всверхпроводнике. Выбираемая при проектировании С. м. ср. плотность токазависит от значений запасённой в обмотке энергии, требований к надёжностиС. м., а также от макс. индукции в обмотке. В С. м., рассчитываемых наполучение сильных магн. полей, при к-рых плотность тока в проводе ограничиваетсямакс. значением индукции в обмотке, ср. плотность тока можно повысить засчёт применения проводов разных сечений (большого в области с высокой индукциейи меньшего в областях с низкой индукцией). Такая оптимизация сечения проводовобмотки позволяет увеличить ср. плотность тока в неск. раз по сравнениюс локальной плотностью тока в области макс. индукции.

Внешний вид сверхпроводящего шагнита установки «Токамак Т-15» Институтаатомной энергии имени И. В. Курчатова (Москва, 1988).

С. м. нашли широкое применение в науч. приборостроении. Сверхпроводящиесоленоиды с индукцией до 15-16 Тл используются для исследований в физикетвёрдого тела и для испытаний сверхпроводящих материалов. Для ЯМР-спектрометровиспользуют высокостабильные С. м. с короткозамкнутой обмоткой и характернымвременем изменения магн. поля до 10¹⁰ с. С. м. в физике высокихэнергий служат в качестве отклоняющих, фокусирующих и анализирующих магнитов(см. Детекторы), напр.: ускоритель с энергией протонов до 0,8 ТэВв Лаборатории им. Ферми (США); сооружаемый в пос. Протвино под Москвойускорительно-накопит. комплекс с энергией протонов до 3-5 ТэВ; пузырьковаякамера объёмом 33,5 м ³, в С. м. к-рой запасена энергия 800 МДж(ЦЕРН, Швейцария). Особо крупные С. м. применяют в физике плазмы и в прототипахтермоядерных реакторов. Введённая в 1989 в СССР (Ин-т атомной энергии им. <И. В. Курчатова) установка «Токамак Т-15» имеет тороидальный С. м. с запасаемойэнергией 0,5-1 ГДж (рис.). ЯМР-томографы с С. м. используют в медицине.

Существует много идей по применению С. м. в народном хозяйстве: сверхпроводящиеобмотки возбуждения электрич. машин и МГД-генераторов, поезда на магн. <подушке, энергетич. накопители, магн. сепараторы для обогащения слабомагн. <руд. Однако внедрение низкотемпературных С. м. встречает большие трудности. <Освоение высокотемпературной сверхпроводимости должно снять многие техн. <трудности по применению С. м.

Лит.: Сверхпроводящие соленоиды. [Сб. ст.], пер. с англ., М.,1965; Техническая сверхпроводимость в электроэнергетике и электротехнике. <Сб.. М.. 1982; У и л с о н М., Сверхпроводящие магниты, пер. с англ., М.,1985; Collings E. W., Applied superconductivity, metallurgy and physicsof titanium alloys, V. 1-2, N. Y.- L., 1986. E. Ю. Клименко.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.