СВЕРХСИЛЬНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ МАГНИТ Российский патент 1999 года по МПК H01F6/00 H03K17/92 

Изобретение относится к электрофизике, а более конкретно - к области сверхсильных импульсных магнитных систем, используемых в физике твердого тела и физике высоких энергий.

Известны импульсные магниты (П. Л.Капица. Научные труды. Сильные магнитные поля. -М.: Наука, 1988. - С. 95 - 99), в которых механическая энергия ротора электрической машины передается на нагрузку в режиме короткого замыкания. Нагрузкой служит катушка с многослойной обмоткой. Получено магнитное поле с индукцией ≈50 Тл. Однако ток в катушке, а следовательно, и величина магнитного поля, непрерывно меняется, что неприемлемо в некоторых экспериментах, как, например, при изучении эффекта Зеемана, где требуется, чтобы поле было постоянным. Требуемое постоянство поля достигается использованием обоих возбуждающих обмоток генератора. Сказанное обуславливает значительную сложность конструкции. Основными недостатками данных систем является: 1) зависимость интенсивности преобразования механической энергии ротора машины в энергию магнитного поля от инерции ротора, которая может быть весьма существенной; 2) невозможность получения полей величиной более 50 Тл.

Отмеченных недостатков лишен сверхсильный импульсный магнит (Ф.Херлах. Сильные и сверхсильные магнитные поля. -М.: Мир, 1988. - С. 380 - 383), выбранный в качестве прототипа.

Сверхсильный импульсный магнит состоит из импульсного соленоида, соединенного с батареей конденсаторов, причем подключение осуществляется с помощью выключателя, и двух первичных соленоидов, запитываемых от источника ЭДС. Магнитное поле создается внутри металлического вкладыша (лайнера), расположенного внутри импульсного соленоида. Импульсный соленоид, первичные соленоиды и вкладыши в поперечном сечении выполнены круговыми.

Работа прототипа осуществляется следующим образом. Первичные соленоиды создают первичное ("затравочное") поле в полости металлического вкладыша, затем конденсаторная батарея разряжается на импульсный соленоид. Возникшее импульсное поле воздействует на металлический вкладыш, в результате чего последний сжимается вместе с первичным полем, тем самым достигаются величины индукции большие 100 Тл.

Основным недостатком прототипа является сложность конструкции, за счет необходимости использования конденсаторной батареи.

Перед автором стояла задача создать сверхсильный импульсный магнит упрощенной конструкции.

Указанная задача достигается тем, что в сверхсильном импульсном магните, содержащем металлический вкладыш, коаксиально расположенный относительно него внешний импульсный соленоид, два первичных соленоида, расположенных по концам вкладыша, питаемых от источника ЭДС, первичные соленоиды выполнены сверхпроводящими с выводами, шунтированными сверхпроводящими ключами с тепловым управлением, внешний импульсный соленоид своими выводами подсоединен параллельно к участку обмотки первичного соленоида, рядом с которым жестко закреплен электронагреватель.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается: 1) выполнением первичных соленоидов сверхпроводимыми и снабжением их сверхпроводящими ключами; 2) отсутствием конденсаторной батареи и выключателя; 3) наличием электрического соединения внешнего импульсного соленоида с участком обмотки сверхпроводящего первичного соленоида; 4) наличием электронагревателя, расположенного в обмотке сверхпроводящего первичного соленоида.

Отмеченные отличия позволяют упростить конструкцию сверхсильного импульсного магнита путем уменьшения числа конструктивных элементов.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна". Отмеченная новизна заявляемого устройства исследована по его существенным признакам на соответствие критерию "изобретательский уровень", при этом были приняты во внимание источники информации в данной и родственных областях техники, а также те условия, что все существенные признаки изобретения находятся в единой логической взаимосвязи и направлены в совокупности на достижение единого результата.

Так, в источнике (А.Д.Сахаров. Взрывомагнитные генераторы //Успехи физических наук. - 1966. - Апрель. - Т. 88. - Вып. 4. - С. 276) выявлен взрывомагнитный генератор, который используется в исследованиях электрических, оптических и упругих свойств различных веществ в сверхсильных магнитных полях. Очевидно, что данное устройство по своей конструкции, выполняемым функциям и достигнутым результатам не эквивалентно заявленному устройству. Это позволяет заключить, что заявленный сверхсильный импульсный магнит обладает новизной и отвечает критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемое устройство показано на чертеже. Коаксиально полому металлическому (например, медному) вкладышу 1 расположен внешний импульсный соленоид 2. По концам вкладыша 1 расположены два сверхпроводящих первичных соленоида 3, 4, которые запитываются от источника ЭДС 5. Соленоиды 2, 3, 4 и вкладыши 1 в поперечном сечении выполнены круглыми. Запитка током соленоидов 3, 4 регулируется реостатом 6 и ключом 7. Сверхпроводящий ключ 8 (сверхпроводящий токонесущий элемент из ниобийтитановой фольги из сплава НТ-50 ТУ 95,355-75 с намотанной нагревательной спиралью 9 из провода ПЭШОММ 0,8 0,01 ГОСТ 6225-66) в сверхпроводящем состоянии шунтирует соленоиды 3, 4. Соленоиды 3, 4, ключи 8 и соединительные провода между ними, которые также выполнены сверхпроводящими, помещены в криостаты (не показаны).

Импульсный соленоид 2 своими выводами подсоединен параллельно участку 10 обмотки соленоида 3. Рядом с участком 10 обмотки жестко закреплен электронагреватель 11, который подсоединен к источнику питания (не показан).

Работа предлагаемого устройства происходит следующим образом. Сверхпроводящие первичные соленоиды 3, 4 запитываются от источника ЭДС 5. Начало запитки и ее регулировка осуществляется ключом 7 и реостатом 6. После установления требуемого значения тока в соленоидах 3, 4 ключи 8 переводятся в сверхпроводящее состояние. Перевод ключа 8 из нормального резистивного состояния в сверхпроводящее производится отключением нагревательной спирали 9 (схема питания спирали 9 не показана). Ключ 7 размыкается. Часть магнитного поля, созданного соленоидами 3, 4 сцепляется с металлическим вкладышем 1. Затем включается электронагреватель 11, под действием тепловыделений которого участок 10 обмотки сверхпроводящего соленоида 3 переходит в нормальное резистивное состояние. В результате сказанного на участке 10 появляется напряжение, которое из-за параллельного соединения участка 10 и импульсного соленоида 2 также прикладывается к соленоиду 2. Импульсное магнитное поле соленоида 2 индуцирует в стенках вкладыша 1 вихревые токи. В результате взаимодействия поля соленоида 2 и вихревых токов в стенках вкладыша 1 появляется электродинамическая сила, сжимающая последний вместе с частью магнитного поля соленоидов 3, 4. Описанный процесс приводит к увеличению индукции магнитного поля в полости вкладыша 1.

Как можно заметить, по сравнению с прототипом в заявленном устройстве не используется конденсаторная батарея, что ведет к упрощению конструкции магнита.

Использование: в физике твердого тела и высоких энергий для создания сверхсильных магнитных полей. Устройство содержит металлический вкладыш, коаксиально расположенный относительно него внешний импульсный соленоид, два первичных сверхпроводящих соленоида, расположенных на концах вкладыша. Сверхпроводящие соленоиды запитываются от источника ЭДС. После установления требуемого значения тока в сверхпроводящих соленоидах ключи, шунтирующие соленоиды, переводятся в сверхпроводящее состояние посредством отключения электронагревателя. Затем включается электронагреватель, расположенный рядом с участком обмотки сверхпроводящего соленоида. Под действием тепла данный участок переходит в нормальное состояние и на нем появляется напряжение, которое прикладывается к импульсному соленоиду. Возникшее импульсное поле индуцирует в металлическом вкладыше вихревые токи, взаимодействие которых с импульсным полем приводит к возникновению электродинамических сил, сжимающих вкладыш вместе с магнитным полем, созданным сверхпроводящими соленоидами. Технический результат заключается в упрощении конструкции за счет устранения необходимости в конденсаторной батарее. 1 ил.

Сверхсильный импульсный магнит, содержащий металлический вкладыш, коаксиально расположенный относительно него внешний импульсный соленоид, два первичных соленоида, расположенных по концам вкладыша, запитываемых с помощью реостата и ключа от источника ЭДС, отличающийся тем, что первичные соленоиды выполнены сверхпроводящими с выводами, шунтированными сверхпроводящими ключами с тепловым управлением, которые переводятся в сверхпроводящее состояние после установки требуемого тока в первичных сверхпроводящих соленоидах, а внешний импульсный соленоид своими выводами подсоединен параллельно к участку обмотки первичного соленоида, рядом с которым жестко закреплен электронагреватель, под действием которого этот участок обмотки переходит в нормальное резистивное состояние после размыкания ключа источника ЭДС.