Комбинированный сверхпроводник

Комбинированный сверхпроводник

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области прикладной сверхпроводимости и может быть использовано при изготовлении сверхпроводников для сильно механически нагруженных сверхпроводящих обмоток (с напряжением проводника больше 100 МПа при работе), а также для сверхпроводящих обмоток и устройств, работающих в переменных режимах, например сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии, дипольных и квадрупольных магнитов для ускорителей заряженных частиц.

Известен комбинированный сверхпроводник, состоящий из нескольких проводов, содержащих волокна сверхпроводящего материала в медной матрице и скрученных вокруг центрального медного с определенным шагом, который, как правило, используют в виде субкабеля для изготовления более сложных и сильноточных сверхпроводящих токонесущих элементов (Keilin V.E., Kovalev I.A., Kruglov S.L., et al., The conductors of the 50 kA Superconducting transformer for Samsung Superconductor Test Facility, Physica C354 (2001), p.105-109).

Известен комбинированный сверхпроводник, представляющий собой несколько сверхпроводящих многоволоконных и несколько проводов из металла того же диаметра, поочередно скрученных с заданным шагом вокруг центрального медного стержня (см. там же). Провода из металла в зависимости от назначения комбинированного сверхпроводника могут выполнять различные функции. В данном случае они сделаны из нержавеющей стали и служат для увеличения механической жесткости комбинированного сверхпроводника и снижения в нем электрических потерь в переменных режимах.

Недостатком известных комбинированных сверхпроводников является ограниченная способность работы в переменных режимах при скоростях изменения магнитного поля больше или порядка 1 Т/с. В этих режимах в изменяющемся по времени магнитном поле в сверхпроводнике выделяется тепло, которое должно поглощаться либо сверхпроводником за счет собственной теплоемкости, если обмотка плотная без каналов для прохода хладагента, либо хладагентом. Поскольку теплопоглощающая способность сверхпроводника ограничена нагревом до критической температуры сверхпроводника, а хладагента в каналах, соответственно, критическими явлениями в теплоотдаче на поверхности нагретого сверхпроводника, особенно в узких каналах (кризис режима кипения с резким, на десятки градусов, ростом температуры), то отсюда появляются временные ограничения на работу сверхпроводников в переменных режимах.

Известен комбинированный сверхпроводник, в котором провод с волокнами сверхпроводящего материала впаян в канавку проводника с прямоугольным поперечным сечением из металла с высокими проводящими свойствами (Уилсон М. Сверхпроводящие магниты, Москва, "Мир", 1985, с.359-363). Такие сверхпроводники обычно используют в обмотках магнитно-резонансных томографов, где высоки механические напряжения из-за пондеромоторных сил.

Недостатком известного комбинированного сверхпроводника является определенная (ненулевая) вероятность нарушения баланса между действующими и допустимыми (критическими) энергиями возмущений механического происхождения, например растрескивание в связующем витки изолирующем материале, трение на поверхности раздела между проводником и непроводником или между непроводниками и т.д. Такой дисбаланс приводит к дорогостоящему процессу тренировки - постепенному улучшению характеристик магнита после нескольких переходов обмотки в нормальное состояние.

Известен комбинированный сверхпроводник, представляющий собой сплющенную одноповивную скрутку из нескольких проводов с волокнами сверхпроводящего материала (плоский транспонированный кабель резерфордовского типа - по имени лаборатории, где эта конструкция была разработана) (Wilson M.N., Hassenzuhl W.V., Moritz G., et al., Cored Rutherford Cables for the GSI Fast Ramping Synchrotron, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.13, №2, June 2003, p.1704-1709). Внутри этой скрутки расположена тонкая лента из стали или латуни, которая предназначена для снижения экранирующих токов между слоями проводов в переменных магнитных полях, параллельных широкой стороне скрутки. Однако переменные магнитные поля, перпендикулярные этой стороне, наводят экранирующие токи между проводами в слоях, что приводит к выделению тепла от этой составляющей электрических потерь, а следовательно, также к ограничениям при работе в переменных режимах.

Наиболее близким техническим решением является комбинированный сверхпроводник, содержащий провода, выполненные из волокон сверхпроводящего материала в матрице из металла с высокими проводящими свойствами, и редкоземельный интерметаллид с экстремально высокой теплоемкостью при низких температурах (United States Patent 4, 623, 862, 1986, класс H 01 F 7/22).

Недостатками известного комбинированного сверхпроводника являются практически непреодолимые трудности в изготовлении, а именно в равномерном диспергировании (распределении) по объему комбинированного сверхпроводника редкоземельного интерметаллида, когда он используется в виде мелкодисперсного порошка, в стандартной операции безобрывной протяжки с одновременным скручиванием заготовки провода до нужных поперечных размеров в случае, когда редкоземельный интерметаллид, также как и сверхпроводящий материал, помещены в медную матрицу в виде стержней, из-за существенно разных их механических свойств, то же самое, только без скручивания, когда интерметаллид размещен в медной матрице в виде концентрических слоев, то же самое, когда редкоземельный интерметаллид сам выполняет функцию матрицы, и в нем размещены стержни из сверхпроводящего материала.

Техническим результатом является расширение функциональных возможностей.

Технический результат достигается тем, что комбинированный сверхпроводник снабжен проводником, содержащим металлическую оболочку, в которой расположен редкоземельный интерметаллид, причем указанные провода и проводник спаяны, а металлическая оболочка выполнена либо в форме полого цилиндра, внутренняя полость которого предназначена для расположения редкоземельного интерметаллида, либо в виде плоской ленты с внутренней прослойкой для расположения редкоземельного интерметаллида, причем несколько проводов с волокнами сверхпроводящего материала скручены с заданным шагом по периметру полой цилиндрической оболочки, а несколько проводов с волокнами сверхпроводящего материала и несколько проводников с расположенным внутри редкоземельным интерметаллидом поочередно скручены в сплющенную одноповивную скрутку, кроме того, комбинированный сверхпроводник содержит проводник из металла с высокими проводящими свойствами, например из меди или алюминия, в котором выполнена канавка с прямоугольным поперечным сечением с впаянным в нее проводом с волокнами сверхпроводящего материала и проводником с редкоземельным интерметаллидом внутри, а несколько проводов скручены вокруг плоской ленты с внутренней полой прослойкой с редкоземельным интерметаллидом.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлены поперечные сечения трех образцов комбинированного сверхпроводника, в двух из которых присутствуют редкоземельные интерметаллиды с экстремально высокой теплоемкостью при низких температурах, а в третьем их нет; на фиг.2 представлены электрическая схема эксперимента с электромагнитными возмущениями, подаваемыми на образцы (индукционный нагрев вихревыми токами), и поперечные сечения оправок с образцами при разных условиях охлаждения: отсутствие охлаждения (адиабатические условия, характерные для плотных сверхпроводящих обмоток) и непосредственное охлаждение жидким гелием в вертикальном канале; на фиг.3-4 представлены зависимости запасенной в конденсаторе энергии электромагнитного возмущения, при котором сверхпроводящие образцы переходят в нормальное состояние (критической энергии) от тока в образце при разных длительностях возмущений, а также разных условиях охлаждения.

На фиг.5-8 представлены поперечные сечения вариантов конструктивного исполнения комбинированных сверхпроводников, содержащих редкоземельные интерметаллиды с экстремально высокой теплоемкостью при низких температурах.

Изготовлены и испытаны три образца комбинированного сверхпроводника, см. фиг.1, в двух из которых присутствуют редкоземельные интерметаллиды HoCu₂ (гольмий-медь) 4 и CeCu₆ (церий-медь) 5. Образцы включали в себя провод диаметром 0,85 мм с волокнами сверхпроводящего материала 1 (всего 2970 волокон из Nb-Ti диаметром 10 мкм) в медной матрице 6 и спаянный с проводом проводник: либо медный 3 также диаметром 0,85 мм в контрольном образце;

- либо в виде полой цилиндрической оболочки 7 с внешним диаметром 0,85 мм и внутренним 0,6 мм, в которой расположен редкоземельный интерметаллид HoCu₂ (гольмий-медь) 4;

- либо в виде полой цилиндрической оболочки 7 с внешним диаметром 0,85 мм и внутренним 0,6 мм, в которой расположен редкоземельный интерметаллид CeCu₆ (церий-медь) 4.

Образцы 8 были вклеены внутрь полых цилиндрических оправок 9 (см. фиг.2) из изолирующего материала, причем внутренняя полость была либо полностью заполнена эпоксидным клеем 11 для имитации адиабатических условий, либо была свободной для прохода жидкого гелия 12. На оправку 9 наматывают катушку возбуждения 10 из тонкого медного провода ⊘ 0,125 мм, содержащую 600 витков, см. фиг.2.

Электромагнитные возмущения моделируют разрядом конденсатора 13 с помощью ключа 14 на катушку возбуждения 10 (см. фиг.2). При этом возникают электромагнитные колебания частотой 320 Гц, которые приводят к индукционному нагреву образца кольцевыми вихревыми токами. Образец 8 с транспортным током помещают во внешнее магнитное поле с индукцией 3 Тл. Характерное время разряда составляет 550 мкс. На фиг 3-4 сравнивают зависимости энергии возмущений, переводящих образцы в нормальное состояние (критической энергии) от величины транспортного тока, для образцов, содержащих редкоземельные интерметаллиды, и одного, который их не содержал.

На фиг.5 представлена конструкция содержащего редкоземельный интерметаллид комбинированного сверхпроводника, как правило, используемого в виде субкабеля для изготовления более сложных и сильноточных сверхпроводящих токонесущих элементов. Такой комбинированный сверхпроводник представляет собой несколько проводов с волокнами сверхпроводящего материала 1 в медной матрице 6, скрученных с заданным шагом по периметру металлической полой цилиндрической оболочки 7, внутри которой располагают редкоземельный интерметаллид 4 или 5. Провода и оболочка спаяны между собой припоем 2.

На фиг.6 представлена конструкция содержащего редкоземельный интерметаллид комбинированного сверхпроводника в виде одноповивной сплющенной скрутки из поочередно скрученных проводов с волокнами сверхпроводящего материала 1 в медной матрице 6 и полых цилиндрических проводников, внутри металлической оболочки 7 которых расположен редкоземельный интерметаллид 4 или 5. Проводники и провода спаяны между собой свинцово-оловянным припоем 2.

На фиг.7 представлена конструкция содержащего редкоземельный интерметаллид комбинированного сверхпроводника, включающего в себя проводник из алюминия или меди 6 с канавкой прямоугольного сечения, в которую с помощью припоя 2 впаяны провод с волокнами сверхпроводящего материала 1 в матрице из меди 6 и проводник с полой цилиндрической металлической оболочкой 7 с редкоземельным интерметаллидом 4 или 5 внутри.

На фиг.8 представлена конструкция комбинированного сверхпроводника, содержащего редкоземельный интерметаллид, в котором несколько проводов с волокнами сверхпроводящего материала 1 в медной матрице 6 скручены вокруг металлической оболочки 7 в виде плоской ленты с внутренней прослойкой для расположения редкоземельного интерметаллида 4 или 5. Провода и лента спаяны припоем 2.

Использование редкоземельных интерметаллидов в составе комбинированных образцов существенно повышает их устойчивость к импульсным тепловым возмущениям (см. фиг.3). Даже при непосредственном охлаждении образцов жидким гелием в вертикальном канале (самый лучший случай для теплоотдачи от нагретого образца) не приводит к смазыванию эффекта существенного различия устойчивости к импульсным тепловым возмущениям для образцов с редкоземельными интерметаллидами и без них (см. фиг.4).

Введение вещества с экстремально высокой теплоемкостью (например, при температуре кипения жидкого гелия 4,2 К теплоемкость редкоземельного интерметаллида HoCu₂ в 450 раз больше чем у меди) в состав комбинированных сверхпроводников значительно (примерно в 5-10 раз) увеличивает их среднюю объемную теплоемкость. Соответственно, во столько же раз возрастают их теплопоглощающая способность и способность противостоять быстрым изменениям магнитного поля и импульсным локальным тепловыделениям механического происхождения без нагрева сверхпроводника до критической температуры перехода в нормальное состояние.

Предлагаемое конструктивное выполнение позволяет использовать обычные конструкции комбинированных сверхпроводников и стандартные технологические операции для изготовления сверхпроводников с повышенными рабочими характеристиками в переменных режимах, например для сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии или для дипольных и квадрупольных магнитов ускорителей заряженных частиц. Также для изготовления сверхпроводников с повышенной устойчивостью к импульсным тепловыделениям при их использовании в сверхпроводящих обмотках с большими механическими напряжениями в сверхпроводнике (˜150 МПа), например в сверхпроводящих обмотках медицинских магниторезонансных томографов.

1. Комбинированный сверхпроводник, содержащий провода, выполненные из волокон сверхпроводящего материала в матрице из металла с высокими проводящими свойствами и редкоземельный интерметаллид с экстремально высокой теплоемкостью при низких температурах, отличающийся тем, что он снабжен проводником, содержащим металлическую оболочку, в которой расположен редкоземельный интерметаллид, причем указанные провода и проводник спаяны.

2. Комбинированный сверхпроводник по п.1, отличающийся тем, что металлическая оболочка выполнена в форме полого цилиндра, внутренняя полость которого предназначена для расположения редкоземельного интерметаллида.

3. Комбинированный сверхпроводник по п.1, отличающийся тем, что металлическая оболочка выполнена в виде плоской ленты с внутренней полой прослойкой для расположения редкоземельного интерметаллида.

4. Комбинированный сверхпроводник по п.1 или 2, отличающийся тем, что несколько проводов с волокнами сверхпроводящего материала скручены с заданным шагом по периметру полой цилиндрической оболочки.

5. Комбинированный сверхпроводник по п.1 или 2, отличающийся тем, что несколько проводов с волокнами сверхпроводящего материала и несколько проводников с расположенным внутри редкоземельным интерметаллидом поочередно скручены в сплющенную одноповивную скрутку.

6. Комбинированный сверхпроводник по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит проводник из металла с высокими проводящими свойствами, например из меди или алюминия, в котором выполнена канавка с прямоугольным поперечным сечением с впаянным в нее проводом с волокнами сверхпроводящего материала и проводником с редкоземельным интерметаллидом внутри.

7. Комбинированный сверхпроводник по п.1 или 3, отличающийся тем, что несколько проводов скручены вокруг плоской ленты с внутренней полой прослойкой с редкоземельным интерметаллидом.