Стабилизация сверхпроводящих магнитных систем - Альтов В.А.
Скачать (прямая ссылка):
Для обеспечения вывода части запасенной энергии за пределы криостата
используется схема, при которой защитная (вторичная) обмотка замыкается
на сопротивление #внеш, расположенное вне криостата. При /?внеш = °° и
ПРИ ^внеш=0 вся запасенная энергия выделяется внутри криостата (в первом
случае на нормальном участке сверхпроводящей обмотки, во втором случае по
всему объему защитной обмотки и на нормальном участке сверхпроводящей
обмотки). Отсюда очевидно, что должно существовать оптимальное значение
0< <#внеш<°°, при котором из криостата выводится максимальное количество
энергии.
Чем больше /?Внеш, т. е. чем больше суммарное сопротивление защитной цепи
R3.i\=Rimem+Jta.c, тем меньшая доля энергии выделяется в этой цепи. В
самом деле, поскольку, как отмечено выше, индуктивности первичной и
вторичной цепей одинаковы, э. д. с., возникающие в обеих цепях при
переходном процессе, равны между собой и поэтому мощности тепловыделения
в первичной и вторичной цепях распределяются обратно пропорционально их
сопротивлениям.
На рис. 3-6 [Л. 3-5] показано, как зависят от /?ВНещ относительные доли
полной запасенной энергии, выделяющиеся во вторичной цепи в целом (кривая
1) и в части вторичной цепи, находящейся вне криостата, т. е. на
сопротивлении RBmm (кривая 2). Из этих кривых видно, что действительно с
ростом ДВНеш доля энергии, выделяющаяся в защитной цепи, уменьшается, а
доля энергии, выводимой за пределы криостата, проходит через максимум при
определенном значении 7?внеш-
На рис. 3-7,а показана временная зависимость разности потенциалов на
концах участка сверхпроводящей обмотки, перешедшего в нормальное
состояние, для различных значений 7?внеш- С ростом /?"неш возрастают
перенапряжения в сверхпроводящей обмотке и резко уменьшается общая
длительность процесса перехода. Зависимость максимума напряжения на
сверхпроводящей обмотке от /?ВНеш изображена на рис. 3-7,6 (пунктир
S3
соответствует значению UMaKC для незащищенного соленоида, т. е. для
разомкнутой вторичной цепи).
Таким образом, для сверхпроводящей магнитной системы, работающей в режиме
"замороженного тока", обеспечение вывода части запасенной энергии из
криостата (с целью уменьшить испарение гелия в процессе перехода)
сопряжено с ухудшением условий, в которых оказывается в переходном
процессе сверхпроводящая обмотка. Действительно, при этом возрастают
перенапряжения и мгновенная мощность тепловыделения на участке
сверхпроводящей обмотки, перешедшем в нормальное состояние, и доля
полной, энергии, выделяющаяся на этом участке. Следовательно, в том
случае, когда основной задачей защиты является снижение перенапряжений
и тепловыделения на участке сверхпроводящей обмотки,
перешедшем в нормальное состояние,
защиту можно выполнить в виде короткозамкнутого
вторичного контура. Из сказанного ранее очевидно, что защита
сверхпроводящей магнитной системы с помощью трансформаторного метода тем
эффективнее, чем мень-
Рис. 3-6 Зависимость относительных долей энергии, выделяющейся во
вторичной цепи, от активного сопротивления, расположенного вне криостата.
В
200
150'
^пакс
100
50._
квнеш
О 20 00 СО ВО 100 /201'Ю О" 6)
Рис. 3-7 Зависимости напряжения на сверхпроводящей обмотке от времени и R
внеш-
Ше сопротивление вторичной цепи R3.ц и чем ближе к единице значение
коэффициента магнитной связи между первичным и вторичным контурами.
Вторичный контур может быть выполнен в виде прокладок из нормального
металла (медь, алюминий), помещенных между слоями сверхпроводящей
обмотки. Эти прокладки образуют короткозамкнутые кольца, в которых при
переходном процессе наводится ток. Следует, однако, отметить, что в
процессе возбуждения такой системы в этих обмотках или прокладках
происходит определенная диссипация энергии, приводящая к испарению
дополнительных количеств гелия.
В том случае, когда основной задачей защиты является вывод энергии из
криостата (с целью экономии жидкого гелия), вторичная обмотка замыкается
на резистор или конденсатор (§ 3-3), расположенный вне криостата.
В случае, когда сверхпроводящая магнитная система выполнена из двух или
нескольких секций, работающих в режиме "замороженного тока", каждая из
этих секций играет по отношению к любой другой роль вторичной обмотки.
При переходе одной из секций в нормальное состояние ток в ней падает, но
одновременно возрастает ток в других секциях, индуктивно связанных с
первой. При этом ток в указанных секциях может превысить критический и в
них возникает нормальная зона. На таком эффекте основан применявшийся в
ранних образцах сверхпроводящих соленоидов метод защиты с помощью
секционирования обмотки. Появление нормальных зон в секциях, индуктивно
связанных с той, которая первой перешла в нормальное состояние, приводит
к более равномерному распределению тепловыделения по объему соленоида.
3-3. РАЗРЯД НА ВНЕШНЮЮ НАГРУЗКУ
Рассматриваемый метод защиты применяется в случае, когда сверхпроводящая
магнитная система подключена к внешнему источнику питания. Наиболее
