Стабилизация сверхпроводящих магнитных систем - Альтов В.А.
Скачать (прямая ссылка):
плоской модели (б).
Мер, с помощью двух проводников с тОками разного знака, навитых на
цилиндр, соосный с рассматриваемым проводом. После выключения внешнего
"скрученного" поля центральный проводник сохранит первоначальную
намагниченность, направление которой будет поворачиваться при смещении
вдоль оси проводника. Теперь можно исследовать затухание лишь одной
компоненты в начальном распределении вектора намагниченности, например,
х-компоненты, поскольку, если отвлечься от несущественных нелинейных
эффектов, обе компоненты в осесимметричном проводнике затухают
независимо. Начальное распределение х-компоненты намагниченности задается
теперь синусоидальной функцией.
Ясно, что рассматриваемая задача сведена, таким образом, к
первоначальному виду, только роль полной длины проводника теперь играет
длина полуволны синусоиды (рис. 11-1,6). Для расчета времени
проникновения поля можно вновь воспользоваться формулой (11-1),
подставляя в нее вместо / четверть полного шага скрутки (т. е. четверть
расстояния, на котором данная сверхпроводящая жила совершит полный оборот
вокруг оси проводника). Время т0 может быть сделано достаточно малым: уже
при шаге 2 см оно составит примерно 0,1 с (в случае медной матрицы).
Величина времени проникновения поля в ирозодник то позволяет разграничить
все процессы, связанные с изменением внешнего поля, на две категории.
Если характерное время процесса (например, время, за которое происходит
увеличение внешнего поля) существенно меньше то, то поведение проводника
соответствует свойствам прямого провода, рассмотренным в предыдущем
параграфе. Если же процесс происходит за время, много большее то, то по
отношению к внешнему полю проводник подобен набору независимых
сверхпроводящих нитей. Поэтому, например, при быстром увеличении поля в
проводнике возможно возникновение скачков потока, даже если отдельные
нити устойчивы по отношению к скачкам, но проводник в целом не
удовлетворяет соответствующим критериям.
Очень медленное проникновение поля в прямой нескрученный проводник в
некоторых случаях может все же приводить к осложнениям. Диамагнитные
моменты витков создают вокруг обмотки некоторое дополнительное поле,
складывающееся с полем транспортного тока. Результирующее поле в центре
соленоида с обмоткой прямоугольного сечения при этом несколько
возрастает, а степень однород-
289
¦йбстк поля в центральной области увеличивается. Stot эффект ЛегКб
понять, если представить себе обмотку из идеального диамагнетика, которая
полностью "выжимает" поле. Проникновение поля по внутренние области
витков означает, что диамагнитный момент витков убывает. 'Поэтому со
временем поле в центре системы также будет слегка убывать, а однородность
поля ухудшится. Таким образом, этот эффект может иметь определенное
значение в тех системах, где требуется исключительная стабильность поля
или знание точного его распределения в рабочем объеме, например в
прецизионных системах для ядерного магнитного резонанса и в системах для
пузырьковых камер.
В реальной магнитной системе скорость проникновения поля в .проводник, не
подвергавшийся скрутке при производстве, будет определяться, помимо всего
прочего, такими плохо ¦воспроизводимыми факторами, как случайное
закручивание при .намотке (для круглых проводников), наличие стыков
отдельных отрезков проводника, возможность локальных перегревов (для
систем с криостатической стабилизацией) и т. д. Поэтому достаточно точно
рассчитать начальное распределение поля и ход процесса не так просто.
Подобные трудности возникли, например, при сооружении магнитной системы
для пузырьковой камеры Европейского центра ядерных исследований. Для
контроля за распределением магнитного поля, которое необходимо знать для
точного расчета траектории исследуемых частиц, в рабочем объеме камеры
приходится размещать огромное количество датчиков Холла.
Как было показано, 'применение скрученных проводников позволяет
относительно простыми средствами добиться более выгодного распределения
внешнего поля в проводнике, что снижает нежелательную энергию
экранирующих токов. Однако, как будет видно из дальнейшего, связанный с
этим возможный выигрыш в плотности тока в случае энтальпийной
стабилизации невелик, а в случае электродинамической стабилизации он
вообще отсутствует. В этом параграфе не учитывалось наличие в проводнике
транспортного тока, характер распределения которого по сечению, как
оказывается, не отличается радикальным образом для скрученных и прямых
проводников.
11-2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТРАНСПОРТНОГО ТОКА
В СКРУЧЕННЫХ ПРОВОДНИКАХ И ИХ УСТОЙЧИВОСТЬ
Рассмотрим теперь характер распределения поля в скрученном проводнике,
когда после наложения внешнего однородного поля происходит увеличение
тока. Будем считать, что после включения поля проходит достаточное время,
так что поле полностью проникает внутрь нормальных областей проводника
(сплошная линия на рис. 11-2). Вначале ток может занять только самые
