Стабилизация сверхпроводящих магнитных систем - Альтов В.А.
Скачать (прямая ссылка):
металлы с высокой теплоемкостью. Этот принцип {Л. 10-3] составляет основу
метода энталь-пийной (или адиабатной) стабилизации (§ 3-5). Идея этого
метода предложена Хэнкоксом, рассчитывавшим баланс энергии при частичном
скачке. При расчете_он упрощенно полагал, что температура одинакова во
всех точках сечения, и правильно указал на роль медной матрицы в
обеспечении условия изотермичное(tm). Им были успешно испытаны небольшие
катушки с комбинированным проводником, содержащим до 75% свинца (по
объему). Критический ток катушки соответствовал току коротких образцов
сверхпроводника, а средняя по сечению плотность тока составляла 1,25-10'*
А/см2. Выбор в качестве теплопоглощающего материала свинца обусловлен его
относительно высокой теплоемкостью (температура Дебая свинца (c)п одна из
самых низких для металлов и составляет примерно 95 К).
Предполагалось, что метод энтальпийной стабилизации обладает особыми
преимуществами для некоторых специальных систем, в частности для так
.называемых левитронов, основу которых составляет свободно висящий р
вакуумной камере кольцевой виток с "замороженным" током. Применение
трубопроводов для подачи и откачки гелия в таких системах принципиально
нежелательно. Продолжительность работы устройства определяется
теплоемкостью подвешенной магнитной системы, поэтому теплоемкость
проводника играет здесь двоякую роль.
Техника стабилизации яри помощи материалов
с повышенной теплоемкостью особого развития не по-
276
Лучила. Методы расчета подобных проводников, уточненные по сравнению с
первоначальной схемой Хэнкокеа, пока практически не разработаны, причем
эта схема неизменно повторяется и .при расчетах более сложных скрученных
проводников.
10-3. КРИТЕРИЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ КОМБИНИРОВАННЫХ
ПРОВОДНИКОВ
Как уже отмечалось, предположение о полной адиабатической изоляции витков
проводника может оказаться излишне жестким. Наиболее очевидно это
положение в системах без пропитки, погруженных в жидкий гелий. Для
плоских проводников, наматываемых в виде отдельных галет, применение
пропитки внутри галеты не исключает возможности охлаждения отдельных
галет с торцов.
Поскольку развитие скачка потока внутри проводника в присутствии медной
матрицы может быть заметно растянутым во времени, выделяющееся при скачке
тепло может выводиться в окружающую среду, В предельном случае можно
считать этот механизм, препятствующий дальнейшему разогреву, основным, а
влиянием теплоемкости материала проводника вообще пренебречь. Ясно, что
при таком допущении расчеты будут производиться с некоторым запасом.
Таким образом, при достаточной скорости теплоотвода генерируемое в
проводнике тепло будет успевать отводиться без дальнейшего увеличения
температуры. Ток в сверхпроводнике при этом сможет зафиксироваться, т. е.
дальнейшее развитие скачка прекратится. Этот механизм стабилизации скачка
потока составляет основу метода электродинамической стабилизации
комбинированных проводников [Л. 10-4, 10-5]. Поскольку в основу
указанного механизма входят те же процессы теплоотвода во внешнюю среду,
что и для криостатической стабилизации, оба эти механизма оказываются
весьма близкими. Более того, как будет показано, критерии устойчивости в
сопоставимых ситуациях могут почти совпадать. Поэтому, поскольку конечной
целью методов стабилизации является увеличение плотности тока в обмотках,
при дальнейших расчетах следует выяснить, за счет каких факторов при
использовании метода электродинамической стабилизации можно получить
выигрыш в плотности тока.
19-865
277
Рассмотрим процесс развития скачка с указанной точки зрения. Начальное
распределение поля в выбранной модели определяется эффективной плотностью
тока в сечении, которая для расстояний, 'Превышающих размеры слоев, равна
KJ,, где Ks - объемный коэффициент заполнения для сверхпроводника. Если в
результате начального возмущения произойдет повышение температуры на АТ,
то распределение поля начнет перестраиваться, стремясь к новому
распределению, соответствующему
новому значению плотности тока Л -f- ^ А Т.
В процессе этой перестройки основные токи будут продолжать течь по
сверхпроводнику, поскольку в сверхпроводнике ток не может уменьшиться
ниже критического значения. Электрическое поле, создаваемое при движении
линий магнитного поля внутри проводника, можно считать однородным по
сечению. Поэтому тепловыделение, плотность которого равна JE, будет
происходить, главным образом, в толще сверхпроводящих слоев.
При оценке средней напряженности поля Е следует, вообще говоря, учесть
влияние обеих компонент проводника. Если считать, что начальный нагрев
произошел мгновенно, то в нормальный металл поле проникнет через время
где б--характерный минимальный размер областей нормального металла. Это
время, конечно, намного меньше времени установления распределения поля -
по всему проводнику, которое определяется вторым из соотношений (9-6).
Поэтому "излишек" тока AJJ(s-2b быстро перераспределяется между
