Стабилизация сверхпроводящих магнитных систем - Альтов В.А.
Скачать (прямая ссылка):
Ru появляется при переходе в уравнении (2-49) от значения полной мощности
тепловыделения W к мощности тепловыделения в единице объема WV- Из (2-59)
очевидно, что коэффициент вязкости т] является константой для данной
температуры.
Важно отметить, что если для сверхпроводника, находящегося в резистивном
состоянии, обеспечены изотермические условия, то в принципе через
сверхпроводник можно пропускать сколь угодно большой ток. 44
в реальных же условиях обеспечивается лишь постоянство температуры
окружающей среды, т. е. гелиевой
ванны const).
В условиях теплового равновесия мощность тепловыделения на резистивном
сопротивлении W равна мощности теплоотвода с поверхности сверхпроводника
в гелиевую ванну
у W=-hPl(T-TB), (2-60)
где h - коэффициент теплоотдачи к жидкому гелию, являющийся функцией
температуры; Р и / - соответственно периметр и длина образца.
С учетом (2-47)
Rve3I(I-Ic)=hPl(T-TB), (2-61)
откуда
Т = Тъ + -%&.1(1-1с). (2-62)
Следовательно, чем выше /, тем выше температура сверхпроводника. Понятно,
что при определенном токе температура сверхпроводника может превысить
критическую температуру Тс(В) и сверхпроводник перейдет в нормальное
состояние.
Глава третья
ЗАЩИТА СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ
3-1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Как уже отмечалось, энергия магнитного поля, кото- . рая может быть
запасена в более или менее крупных сверхпроводящих магнитных системах,
достигает весьма значительной величины. Так, в сверхпроводящей магнитной
системе пузырьковой камеры Аргоннской национальной лаборатории США
запасенная энергия составляет 80 МДж, в магнитной системе пузырьковой
камеры Национальной лаборатории ускорителей США -
ОАО 1 я у-г * *
396 МДж.
В ряде случаев сверхпроводящие магнитные системы создаются специально с
целью накопления энергии. При этом, естественно, плотность запасенной
энергии растет сростом магнитного поля, При индукции J3 = 15T,
45
которая является максимальной из достигнутых в настоящее время [Л. 3-1],
плотность энергии составляет 90 кДж/л.
При аварийном переходе сверхпроводящей магнитной системы в нормальное
состояние запасенная энергия выделяется в виде джоулева тепла на участке
обмотки, перешедшем в нормальное состояние. Это тепловыделение может
привести к разогреву соседних областей обмотки, в результате чего эти
области также перейдут в нормальное состояние.
При определенных условиях процесс распространения нормальной зоны по
обмотке приобретает лавинообразный характер. Условимся в дальнейшем этот
неконтролируемый процесс называть нестабилизирован-ным переходом обмотки
в нормальное состояние.
Аварийный (неконтролируемый) переход сверхпроводящей магнитной системы в
нормальное состояние сопровождается рядом нежелательных эффектов.
Во-первых, выделение большого количества джоулева тепла на относительно
малом участке обмотки, перешедшем в нормальное состояние, может привести
к разрушению (расплавлению) части обмотки.
Во-вторых, появляющаяся в процессе этого перехода большая разность
потенциалов на концах участка, перешедшего в нормальное состояние, может
привести к пробою межвитковой изоляции и замыканию витков обмотки.
Очевидно, что при последующем возбуждении соленоида эти короткозамкнутые
витки будут играть
роль вторичной обмотки трансформатора. В них будет наводиться большой
ток; это приведет к преждевременному (т. е. при малых значениях тока,
подводимого к обмотке от внешнего источника) переходу обмотки в
нормальное состояние.
Представления об основных характеристиках процесса перехода
сверхпроводящей системы в нормальное состояние'можно получить, например,
из графика рис. 3-1. На этом графике представлены полученные
экспериментально величины тока в обмотке i, напряжения
46
?>
д
7.5 5,0
2.5
0
- 900
600
300
\ и i Vn\ ,-W
ft
V ^ ,
О
О,ОГ
R,
Ом
300-i
гои
700-
0 -I
W,
Вт
6000
оооо
2000
о
Рис. 3-1. Характеристики перехода сверхпроводящей системы в нормальное
состояние.
tifl концах участка обмотки, перешедшего в нормальное состояние и,
сопротивления этого участка R и мгновенной мощности 'тепловыделения и>
Для одного из небольших экспериментальных соленоидов. Внутренний диаметр
обмотки составляет 16 мм, наружный 48,5 мм, высота 54,5 мм, число витков
7600, индуктивность 0,735 Г; материал обмотки - немецненая проволока
диаметром 0,25 мм из тройного сплава 65БТ (ниобий 65 ат. %, титан 25 ат.
%, остальное - цирконий и технологические добавки [J1. 3-2]). Данные,
приведенные на рис. 3-1, относятся к переходному процессу при начальном
токе в соленоиде, равном 10 А (критический ток для этого соленоида
составлял 12 А). При этом токе запасенная в соленоиде энергия составляет
всего 37 Дж. Как видно из графика, напряжение на концах нормального
участка достигает <7макс='1100 В, а мгновенная мощность тепловыделения
составляет 1КмаКс=7,'25 кВт. При этом переходный процесс протекает в
весьма короткие промежутки времени, например и достигает максимума через
