Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперементе - Лагутин А.С.
ISBN: 5-283-03910-2
Скачать (прямая ссылка):
изготовленных из бе-риллиевой бронзы, при генерации СМП и обнаружил, что
основной причиной их разрушения в полях с Вт "50 Тл оказывается
деформация металла, а конкретнее - утолщение (расклепка) внутренних краев
витков, т.е. их пластическая деформация (при таких условиях материал
работает уже за пределом пластичности). Рано или поздно этот процесс
приводит к разрушению изоляции, так как ее прочность уступает прочности
металла, и происходит пробой.
Вследствие значительной неоднородности распределения тока в спиральном
импульсном соленоиде (см. п. 2.1.1) нагрев обмотки из-за джо-улевых
потерь во время импульса будет также резко неоднородным, причем сильнее
нагреваются внутренние, ближние к оси участки спирали. Необходимость
обеспечения нормального теплового режима С^шах ^ 300 т 350 °С)
накладывает существенные ограничения на длительность импульса поля, так
как при большем нагреве происходит повреждение изоляции. Казалось бы, для
изготовления соленоида можно использовать специальные жаропрочные
изоляционные материалы, рассчитанные на работу при температурах до 1000
°С, однако механическая прочность этих материалов еще невелика.
Многочисленные экспериментальные исследования, выполненные эа 30 лет
после появления работы [70], показали, что предельными параметрами
импульса поля для однослойной спирали можно считать Вт = 70 т 75 Тл, т00
** Ю'4 с. Значение Вт можно увеличить до 90 Тл (см., например, [8]), но
это возможно лишь при значительном (на порядок!) уменьшении т0о и ресурса
соленоида.
Однако,если уменьшить Вт до 30 -г 40 Тл, то появится возможность на два
порядка увеличить т00 - до 10"2 с. Сочетание высокой механической
прочности, свойственной спиральным соленоидам, с таким боль-
59
1,7 - токоподводы; 2 - спираль; 3,3- стальные болты; 4 - текстолитовые
фланцы; 6 - межвитковая изоляция; 8 - система охлаждения
шим значением т0о делает подобную конструкцию соленоида вполне
конкурентоспособной при сравнении с многовитковыми многослойными
соленоидами. В качестве примера опишем спиральный соленоид, созданный в
Институте атомной энергии им. И.В. Курчатова [73].
Спираль соленоида (рис. 2.37) была изготовлена из бериллиевой бронзы
марки БрБ2. Торцевые витки пайкой соединялись с латунными токопроводами,
которые с помощью болтов крепились к текстолито-Ъым фланцам. Вся обмотка
после установки изолирующих стеклотекстолитовых прокладок (их толщина 0,7
мм) стягивалась стальными болтами. По внешней поверхности витков пайкой
крепились медные трубки водяного охлаждения. Каждые полтора витка трубки
подсоединялись независимо друг от друга к системе охлаждения.
Испытания показали, что основным фактором, влияющим на значение Вт ,
получаемое без риска разрушения соленоида, и на его ресурс, оказывается
качество межвитковой изоляции. Мы уже отмечали, что наибольшим
механическим и тепловым нагрузкам подвергаются внутренние участки витков.
Вместе с тем необходимо обеспечить снижение аксиаль-
60
Таблица 2.5. Параметры однослойных спиральных соленоидов [73]
Г1, мм Г2, ММ 2Ь, мм Число витков L, мкГн Too. мс
7?т>Тл Межвитковая изоляция
80 180 130 37,5 51 10 150 Гетинакс
88 200 107 195 17,5 2,3 150
80 200 110 20,0 24,1 6,9 230 м
65 200 250 29,0 22,9 6,6 300 Стеклотек- столит
ных, сжимающих соленоид усилий - для уменьшения их воздействия на
изолирующие прокладки. С этой целью внутреннее отверстие спирали
растачивалось на конус вблизи торцов (см. рис. 2.37), такой обработке
подвергались по шесть витков с каждого торца. В качестве изолирующего
материала использовался стеклотекстолит, сохраняющий высокие прочностные
свойства и при Т= 250 300 °С.
Основные параметры сконструированных соленоидов приведены в табл. 2.5.
Следует отметить, что значительный (порядка 1000 см3) объем рабочей
области таких соленоидов дает возможность проводить самые разнообразные
эксперименты, а относительно малая скважность (1 импульс за 30 с)
позволяет достаточно быстро набирать большую статистику, что особенно
важно для ядерно-физических исследований. Каждый из упомянутых в табл.
2.5 соленоидов выдержал не менее 2000 импульсов с максимальной
амплитудой, что говорит об их высокой надежности и удобстве применения в
ядерно-физических экспериментах.
В конструкции таких соленоидов учтено также то, что значительный нагрев
близких к его оси участков витков приводит к соответствующему
перераспределению тока по сечению витка и к снижению механических
напряжений во внутренних участках витков. Таким образом, в рассмотренном
случае температурные и полевые эффекты частично взаимно компенсируются,
что приводит к снижению механических напряжений в соленоиде и,
естественно, увеличивает его ресурс. Минимальное время между двумя
импульсами с Вт = 30 Тл определяется мощностью системы охлаждения при
заданном допустимом перегреве обмотки (Ттах < < 360 °С). Особенностью
данного соленоида является то, что при работе в режиме с максимальной
амплитудой импульса и с минимальной скважностью импульсов температура на
