Стабилизация сверхпроводящих магнитных систем - Альтов В.А.
Скачать (прямая ссылка):
(теплообмен в криогенной области, металлургия комбинированных
сверхпроводников и др.), и, по-видимому, представит интерес также и для
широких кругов специалистов, интересующихся сверхпроводящими магнитными
системами.
Критические замечания читателей будут приняты с благодарностью.
В. Сычев
ЧАСТЬ I
СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ
Глава первая
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ В СОВРЕМЕННОЙ
ТЕХНИКЕ
1-1. ВВЕДЕНИЕ
Попытки использования сверхпроводимости в прикладных целях были
предприняты сразу же после открытия этого явления Г. Каммерлинг-Оннесом в
1911 г. [Л. 1-1]. Каммерлинг-Оннес предполагал использовать
сверхпроводящий соленоид как электромагнит, позволяющий за счет больших
токов получать сильные магнитные поля при минимальных затратах
электроэнергии, необходимых только для поддержания низких температур [Л.
1-2]. Однако эта идея, представлявшаяся тривиальной, оказалась
практически неосуществимой и попытка изготовить в 1913 т. такой
электромагнит окончилась неудачей [Л. 1-3]. Было установлено, что обычные
сверхпроводники переходят в нормальное состояние в магнитных полях с
индукцией максимум в несколько сотых долей тесла. Это обстоятельство
делало невозможным техническое использование явления сверхпроводимости.
Такое положение сохранялось в течение примерно БОлет, до начала 60-х
годов, когда был открыт ряд сплавов и соединений, сохранявших
сверхпроводящее состояние в сильных (порядка десяти тесла) магнитных
полях при высоких значениях силы тока, протекающего по сверхпроводнику.
Открытие этих материалов (неидеальных сверхпроводников II рода) явилось
подлинной революцией в деле практического использования
сверхпроводимости. С этого момента началось бурное развитие научно-
исследовательских и опытно-конструкторских работ по внедрению
сверхпроводящих устройств ib технике. Боль-
5
Шое 'Фисло лабораторий в экономически наиболее развитых странах
сосредоточило свои усилия на этих работах.
В настоящее время очевидны несомненные перспективы использования
сверхпроводящих устройств в различных областях современной техники
(энергетика и электротехника, техника физического эксперимента,
космическая техника, радиотехника, вычислительная техника и др.).
Перспективные направления технического использования сверхпроводимости
можно сгруппировать следующим образом:
1) сверхпроводящие магнитные системы различного назначения;
2) сверхпроводящие линии электропередач;
3) сверхпроводящие логические и запоминающие элементы для ЦВМ;
4) сверхпроводящие резонаторы и элементы высокочастотных схем;
5) сверхпроводящие гироскопы и акселерометры, сверхпроводящие подшипники
без трения.
1-2. СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ МАГНИТНЫЕ СИСТЕМЫ
Наибольшую область возможного применения и наибольшее развитие в
настоящее время имеют работы по созданию сверхпроводящих магнитных систем
различного назначения. Это и понятно - сверхпроводящие магнитные системы
по сравнению с обычными электромагнитами 1 имеют значительно лучшие
стоимостные и эксплуатационные характеристики, а в ряде случаев
обеспечивают единственно приемлемое решение. Сверхпроводящие магнитные
системы имеют следующие преимущества:
1. Эти системы, не нуждающиеся в ферромагнитном сердечнике и
допускающие значительно более высокие плотности тока в обмотке по
сравнению с обычными магнитными системами, имеют значительно меньшую (на
один-два порядка) массу и значительно более компактны.
1 Обычной магнитной системой будем называть- электромагнит с
ферромагнитным (как правило, железным) сердечником и медной или
алюминиевой обмоткой.
6
2. Практическое отсутствие джоулевых потерь в обмотке обеспечивает
значительно (также "а один-два порядка) меньшие затраты электроэнергии на
собственные нужды по сравнению с обычной системой; электроэнергия в этом
случае расходуется практически только на поддержание гелиевой температуры
в обмотке (т. е. на привод ожижителя гелия или рефрижератора); обычные
магнитные системы нуждаются также в больших расходах охлаждающей воды для
отвода выделяющегося джоулева тепла.
3. Сверхпроводящие магнитные системы позволяют получать значительно
большие магнитные поля по сравнению с обычными системами; если обычные
технические магнитные системы с ферромагнитными сердечниками обеспечивают
магнитные поля с индукцией не более 2 Т, то для крупных сверхпроводящих
систем магнитная индукция порядка 4-6Т является в настоящее время уже
достаточно ординарной. Следует, однако, отметить, что в настоящее время
существует несколько уникальных лабораторных электромагнитов
биттеровского типа (сильноточные водоохлаждаемые электромагниты из
обычного проводника без ферромагнитного сердечника). Эти электромагниты
создают в малом объеме весьма сильные поля (до 25 Т). Однако их
эксплуатация сопряжена с большими затратами, поэтому такие системы
используются только для физических исследований.
Применительно к различным частным задачам сверхпроводящие магнитные
