Стабилизация сверхпроводящих магнитных систем - Альтов В.А.
Скачать (прямая ссылка):
вероятность попадания "слабого" участка в этот образец исчезающе мала.
Чем больше магнит, т. е. чем большее количество проволоки требуется для
изготовления его обмотки, тем больше вероятность появления "слабых"
участков в обмотке.
Следует указать еще на одну причину возникновения нормальной зоны в
обмотке, которая по своей природе аналогична рассмотренной выше. В связи
с тем что обмотку большого сверхпроводящего устройства практически
невозможно изготовить из одного отрезка проводника (последнее
определяется максимальной длиной проводников, выпускаемых в настоящее
время), становится актуальной проблема соединения отдельных проводников
между собой. Однако при большом числе соединений обеспечение идеального
сверхпроводящего контакта представляется нереальным. Поэтому в обмотке,
выполненной из нескольких последовательно соединенных проводников, как
правило, в местах соединений выделяется джоулево тепло, что может
привести к значительному местному разогреву сверхпроводника, а
следовательно, к повышению температуры выше критической и к возникновению
нормальной зоны.
В процессе эксплуатации сверхпроводящих магнитов возможны ситуации,
способствующие появлению нормальной зоны в обмотке. Сюда относится, в
частности, перемещение витков обмотки магнитной системы. Действительно,
при увеличении тока возрастают понде-ромоторные силы, действующие на
обмотку с током в магнитном поле. В том случае, если витки обмотки плохо
закреплены, при определенном токе они начинают перемещаться. При движении
проводника с током в маг-
63
нитном поле происходит диссипация определенного количества энергии.
Участок обмотки, в котором расположен рассматриваемый виток,
разогревается, при этом его температура может превысить критическую и в
сверхпроводящей обмотке появляется нормальная зона.
Как отмечалось в § 2-2, намагничивание неидеальных сверхпроводников II
рода является существенно необратимым процессом; при их намагничивании
выделяется определенная энергия. Это тепловыделение также может привести
к разогреву обмотки выше критической температуры и, следовательно, к
переходу обмотки в нормальное состояние.
Наименее предсказуемой причиной появления нормальной зоны в обмотке, и
поэтому наиболее опасной, является скачкообразное проникновение
магнитного поля в неидеальной сверхпроводник II рода (скачок потока).
Как отмечалось в § 2-3, при определенных условиях (относительно большой
диаметр проволоки, низкие температуры, область слабых магнитных полей)
скачок потока может стать "катастрофическим", т. е. привести к появлению
нормальной зоны в сверхпроводящей проволоке. При этом очевидно, что чем
хуже условия теплоотдачи от рассматриваемого участка проволоки к гелиевой
ванне, тем вероятнее появление "катастрофического" скачка потока. Условия
теплоотдачи от витка проволоки, расположенного во внутренних слоях
обмотки, значительно хуже, чем условия теплоотдачи от отдельно взятого
образца проволоки, погруженного в гелиевую ванну. Следовательно, если
рассмотреть короткий образец проволоки и обмотку при одной и той же
величине тока и предположить, что и в коротком образце и в обмотке
происходят скачки потока одинаковой интенсивности, может оказаться, что в
коротком образце этот скачок не становится "катастрофическим", тогда как
в обмотке вследствие ухудшенных условий теплоотвода развивается
"катастрофический" скачок.
Одной из наиболее серьезных проблем, с которыми пришлось столкнуться
несколько лет назад создателям первых сверхпроводящих магнитных систем,
было явление "деградации" тока в сверхпроводящих обмотках. Это явление
заключается в том, что критические токи, дости-жимые в сверхпроводящей
обмотке1, оказываются на-
1 Под критическим током обмотки подразумевается ток, по достижении
которого обмотка переходит в нормальное состояние.
64
много меньше критических токов для той же самой сверхпроводящей
проволоки, измеренных при испытании коротких образцов.
На первых этапах работ по созданию сверхпроводящих магнитных систем,
когда было установлено, что допустимая плотность тока в обмотке
уменьшается пропорционально росту ее размеров, это обстоятельство явилось
основанием для серьезного пессимизма в отношении перспектив создания
сколько-нибудь крупных сверхпроводящих систем. Казалось, что с
увеличением размеров обмоток критический ток в них уменьшается до
ничтожно малой величины. Сказанное иллюстрируется рис. 3-10, на котором
показано изменение критического тока для серии геометрически подобных
соленоидов по данным 3. Стекли, полученным в 1963 г. [Л. 3-9]. Эти
соленоиды, изготовленные из ниобий-циркониевой проволоки, имели
соотношение внутреннего диаметра, внешнего диаметра и высоты 1:1, 8:0,6;
коэффициент заполнения обмотки сверхпроводящим материалом 0,3. Внутренний
диаметр соленоидов этой серии менялся от 10,5 до 153 мм. На графике рис.
3-10 по оси абсцисс нанесена индукция магнитного поля, полученного в
соленоидах; понятно, что у геометрически подобных соленоидов индукция
