Стабилизация сверхпроводящих магнитных систем - Альтов В.А.
Скачать (прямая ссылка):
стабилизация. Сверхтекучий гелий, заполняющий тонкие каналы в обмотке, в
которые гелий-1 проникает с трудом, увеличивает эффективную энтальпию
обмотки за счет своей теплоты парообразования. Целесообразность
использования гелия-11 мотивировалась двумя соображениями: во-первых,
тем, что с понижением температуры сверхпроводника повышается его
критический ток; во-вторых, тем, что использование ге-лия-П обеспечивает
дополнительные преимущества с точки зрения условий охлаждения обмотки -
сверхтекучий гелий, имеющий бесконечно большую теплопро водность, легко
проникает в межвитковые каналы.
Если первое из названных соображений является бесспорным, то второе
требует тщательной проверки. Не вызывает сомнения, что использование для
охлаждения обмотки гелия-II имеет неоспоримые преимущества. Однако
указанная ситуация сохраняется только до тех пор, пока температура
поверхности проводника не превысит температуру кризиса кипения *, когда
на этой поверхности образуется паровая пленка, обладающая большим
тепловым сопротивлением. В этой связи априори не известно, какие
изменения внесет использование гелия-11 вместо гелия-1. С целью проверки
нами были проведены эксперименты [Л. 6-8].
Был исследован описанный выше короткозамкнутый сверхпроводящий соленоид,
обмотка которого была выполнена из девятнадцатижильного кабеля; каналы
для гелия между витками обмотки обеспечивались обычным способом - с
помощью обвивки кабеля капроновой нитью.
В одной из внутренних точек обмотки к кабелю был присоединен
диагностический микронагреватель. Измерения проводились по методу
одиночного соленоида, который имел следующие параметры: внутренний и
внешний диаметры обмотки 30 и 72 мм, высота обмотки 77 мм, индуктивность
2,3 мГ, критический ток 460 А при Тв=4,2 К.
Динамический процесс, развивающийся после ввода в обмотку зародыша
нормальной зоны, был исследован
1 Строго говоря, имеет смысл говорить не о кризисе кипения, понятие о
котором для гелия-11 неприемлемо, а о критическом тепловом потоке, при
превышении которого На охлаждаемой поверхности образуется паровая плевка,
203
при Тв-4,2 К и при 7'в=1,9 К. Оба опытД были проведены при одном и том же
значении начального тока /0, равном 400 А. Результаты экспериментов
приведены на рис. 6-19.
Как видно из рис. 6-19,а, максимальное сопротивление нормальной зоны
/?н.з при 7'в=1,9 К примерно в 1,5 раза превышает соответствующее
сопротивление при А=4,2К. На рис. 6-19,6 представлены значения
сопротивления гн.з короткого (длиной примерно 1 см) участка
к г140
-120
-100
0 100 200 300 А 0
а) б)
Рис. 6-19. Сопротивление нормальной зоны (а) и короткогс участка кабеля
вблизи микронагревателя (б).
исследуемого кабеля вблизи микронагревателя. Этот участок, находящийся,
как уже отмечалось выше, в практически изотермических условиях, играет
роль термометра сопротивления - сопротивление гн.3 растет с увеличением
температуры вследствие роста с температурой, прежде всего, удельного
сопротивления материала подложки.
Для сравнения на рис. 6-19,6 нанесена ориентировочная температурная
шкала, рассчитанная на основе данных [JI. 6-3] по зависимости р(7'),для
меди, у которой
273К^4.2К=
Как видно из этого рисунка, при использовании ге-лия-П максимальная
температура разреженной обмотки в динамическом процессе достигает
примерно 130 К, что примерно в 3 раза выше, чем при использовании гелия-
1.
Этот, на первый взгляд, неожиданный результат может быть, по-еидимому,
объяснен следующим образом. 204
\
\
\
\
\
При появлении нормальной зоны на поверхности комбинированного п{к)водника
развивается пленочный режим кипения. При прЬчих равных условиях
эффективная теплопроводность пЛенки, связанная, видимо, и с конвективными
механизмами, тем меньше, чем меньше плотность пара и, следовательно, чем
меньше давление. Поскольку давление внутри паровой пленки практически
равно давлению насыщения при данной температуре, с понижением температуры
гелиевой ванны давление насыщения и, следовательно, эффективная
теплопроводность паровой пленки быстро уменьшаются (при Т- = 1,9 К
Ps=0,0023 МПа). Уменьшением коэффициента теплоотдачи от поверхности
комбинированного проводника с понижением температуры и объясняется
значительный рост температуры обмотки при появлении нормальной зоны. В
конечном итоге это означает, что максимальный ток равновесия I*
уменьшается с понижением температуры гелиевой ванны; обычно величина
/*не-п оказывается значительно меньше критического тока.
Из сказанного следует, что при появлении нормальной зоны короткозамкнутая
разреженная обмотка, охлаждаемая гелием-11, при одинаковом начальном токе
будет нагреваться до значительно более высоких температур, чем обмотка,
охлажденная гелием-1. Для больших обмоток это повышение температуры может
быть столь значительным, что приведет к пережогу обмотки.
Иными словами, поскольку максимальный ток равновесия I* уменьшается при
переходе к охлаждению гелием-11, надежность любых сверхпроводящих
