СОСТАВНОЙ МАГНИТНЫЙ ВТСП ЭКРАН Российский патент 2005 года по МПК H01L39/08 

Изобретение относится к криоэлектронике и может быть использовано для экранирования магнитных полей.

Известны сверхпроводниковые магнитные экраны, представляющие собой полые фигуры (цилиндры, сферы, стаканы), использующие эффект Мейснера - выталкивание магнитного поля из сверхпроводника [1]. Поскольку экраны имеют сложную форму, их изготовление часто связано с технологическими трудностями.

Наиболее близким техническим решением является известный сверхпроводниковый экран магнитного поля, он содержит чередующиеся плоские сверхпроводниковые и проводниковые шайбы, собранные в цилиндр. Первые обеспечивают вытеснение магнитного поля вследствие эффекта Мейснера, вторые обеспечивают теплоотвод, жесткость цилиндра и экранирование переменных полей вследствие индуктивного наведения в них электродвижущей силы и создания экранирующего магнитного поля [2]. Такой экран может быть собран с учетом размеров экранируемого объекта. Однако этот экран защищает только от полей, направленных параллельно его оси - постоянные магнитные поля, индукция которых перпендикулярна оси цилиндра, будут проникать в слабые участки экрана - зазоры между сверхпроводниковыми шайбами. Кроме того, используемые в экране материалы требуют достаточно дорогих и сложных гелиевых криостатов.

Техническим результатом изобретения является повышение качества магнитных экранов путем исключения сквозных, поперечных оси зазоров между сверхпроводниковыми шайбами, дефектных шайб и отбора шайб по величине критического тока (экранируемого поля).

Технический результат достигается тем, что в качестве сверхпроводниковых элементов экрана используют фигурные шайбы из ВТСП керамики. Форма шайб такова, что они в процессе сборки частично входят друг в друга, не оставляя сквозных поперечных оси экрана зазоров. Поскольку керамические ВТСП шайбы имеют разброс по величине критического тока, используют те шайбы, которые прошли тестирование по величине плотности критического тока j_кр (экранирующей способности). Необходимо, чтобы эта величина была больше чем та, которая определяется соотношением Бина [3]:

где μ₀ - магнитная постоянная;

d - толщина экрана;

В_m - индукция экранируемого магнитною поля. В случае нарушения условия (1), экранируемое магнитное поле может оказаться больше критического поля для данной шайбы, и сверхпроводимость разрушится, шайба перестанет экранировать, поле проникнет в экран. В качестве проводниковых шайб в экране предлагается использовать кольцевые слои проводящего клея на основе серебра. Этот металл не оказывает отрицательного влияния на свойства ВТСП материалов. Клей обеспечивает также и жесткость конструкции.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявленный экран отличается тем, что форма ВТСП шайб исключает возможность образования в экране сквозных перпендикулярных оси зазоров, шайбы отбирают по величине критического тока так, что

а проводниковые шайбы представляют собой кольцевые слои проводящего клея на основе серебра. Таким образом, заявляемый экран соответствует критерию изобретения “новизна”.

Известны технические решения, в которых магнитный экран состоит из шайб, собранных в цилиндрическую форму, например, [4], однако, совокупность существенных признаков, состоящая из формы ВТСП шайб, исключающей сквозной перпендикулярный зазор в экране, отбора ВТСП шайб по критерию

и использования в качестве проводниковых шайб кольцевых участков проводящего серебросодержащего клея в совокупности с ограничительными признаками позволяет обнаружить у заявляемого экрана иные, в отличие от известных, свойства, к числу которых можно отнести:

- исключение необходимости ориентации оси экрана параллельно полю вследствие исключения поперечных сквозных зазоров между сверхпроводниковыми шайбами;

- гарантированное экранирование магнитных полей определенной величины за счет подбора шайб по критерию критических токов;

- повышение выхода годных экранов за счет исключения дефектных шайб;

- отсутствие необходимости кожуха для фиксации шайб экрана за счет клеевых проводниковых прокладок;

- повышение эксплуатационных температур в результате использования ВТСП материала.

Таким образом, иные, в отличие от известных технических решений, свойства, присущие предложенному экрану, доказывают наличие существенных отличий, направленных на достижение технического результата.

На фиг.1 показан составной магнитный ВТСП экран, на фиг.2 - вид сбоку, на фиг.3 и фиг.4 - два возможных варианта формы фигурных ВТСП шайб.

Составной магнитный ВТСП экран состоит из элементов 1, представляющих собой ВТСП фигурные шайбы 2 и кольцевые проводниковые прокладки 3, выполненные нанесением проводящего серебросодержащего клея. Постоянное магнитное поле выталкивается из сверхпроводниковой шайбы (эффект Мейснера), экранируя внутренний объем. Поскольку форма шайб такова, что они частично находят друг на друга, не оставляя сквозных перпендикулярных оси зазоров, экран защищает не только от параллельною, но и от перпендикулярного оси поля. Переменное поле взаимодействует с проводниковыми прокладками, индуцируя в них ток и, следовательно, экранирующее поле.

Предлагаемый экран изготавливали путем прессования и обжига шайб из Y-123 порошка (фиг.3). Внешний и внутренний диаметры шайб - 12 мм и 6 мм, высота - 4 мм. После изготовления шайбы тестировали на величину критического тока бесконтактным методом измерения. Поскольку предполагалось экранировать поле в 12 мТл из полученных шайб согласно (1) отобрали те, у которых плотность критического тока составила более 650 А/см². После этого на шайбы наносили кольцеобразные участки серебросодержащего проводникового клея (фиг.3) и собирали шайбы в цилиндр (фиг.1) длиной 70 мм. После высыхания клея экран исследовали на величину коэффициента ослабления

где Н_е - напряженность внешнего поля;

H_i - напряженность поля внутри экрана.

Для полученного экрана величина коэффициента ослабления составила >10⁴ при различных ориентациях экрана. В то же время экраны, собранные из плоских шайб таких же размеров в случае перпендикулярного оси поля или без отбора шайб по критерию (1), показали худшие результаты (К~100). Предлагаемый магнитный экран может быть реализован при другой форме ВТСП шайбы, например, фиг.4, и других ВТСП материалах, например, Bi-2212.

Предложенный составной магнитный ВТСП экран позволяет использовать следующие преимущества:

- повысить коэффициент ослабления;

- использовать экран при перпендикулярной ориентации его оси относительно поля;

- создавать экран под конкретную величину магнитного поля.

Источники информации

1. Бондаренко С.И., Шеремет В.И. Применение сверхпроводимости в магнитных измерениях - Л.: Энергоатомиздат, 1982. - с.59-92.

2. U.S.Pat. №4942379 А, 17.07.1990.

3. Лаппо И.С. и др. Технология и свойства магнитных ВТСП экранов // Получение, свойства и анализ высокотемпературных сверхпроводящих материалов и изделий. - Екатеринбург: УР. О АН СССР, 1991. С.94-97.

4. U.S. Pat. №3281738.

Использование: в области криоэлектроники для экранирования магнитных полей. Технический результат изобретения - повышение качества магнитных экранов путем исключения сквозных, поперечных оси зазоров между сверхпроводниковыми шайбами и исключения дефектных шайб путем отбора их по величине критического тока. Сущность изобретения: составной магнитный ВТСП экран состоит из чередующихся ВТСП и проводниковых шайб, собранных в цилиндр. Форма ВТСП шайб фигурная и позволяет им частично входить друг в друга при сборке экрана, исключая образование в нем сквозных зазоров, перпендикулярных его оси. Перед сборкой ВТСП шайбы отобраны по величине критического тока так, что: j_кр ≥_{2Bm/μ 0d, где μ 0 - магнитная постоянная; d - толщина экрана; Вm - индукция экранируемого магнитного поля. Проводниковые шайбы представляют собой кольцевые участки, нанесенного на ВТСП серебросодержащего клея. 4 ил.}

Составной магнитный ВТСП экран, состоящий из чередующихся сверхпроводниковых и проводниковых шайб, собранных в цилиндр, отличающийся тем, что форма ВТСП шайб фигурная и позволяет им частично входить друг в друга при сборке экрана, исключая образование в нем сквозных зазоров, перпендикулярных его оси, перед сборкой ВТСП шайбы отбирают по величине критического тока так, что

j_кр≥_{2Bm/μ 0d,}

где μ ₀ - магнитная постоянная;

d - толщина экрана;

В_m - индукция экранируемого магнитного поля,

а проводниковые шайбы представляют собой кольцевые участки нанесенного на ВТСП серебросодержащего клея.