Способ электродинамической обработки сверхпроводящего магнита из провода Советский патент 1985 года по МПК H01F6/06 

1 . 1

Изобретение относится к области электротехники, в частности к области создания сверхпроводящих магнитов и может быть использовано при изготовлении нестационарно стабилизированных сверхпроводящих обмоток для сепараторов, линейных ускорителей, . лабораторных соленоидов, токамаков и т.п.

Известен способ обработки сверхпроводящего магнита, заключающийся в охлаждении обмотки до температуры ниже 4,2 К и пропускании по обмотке тока выше критическр-го тока магнита при 4,2 К 1.

Недостатком данного способа является отсутствие зачастую эффекта уменьшения деградации, т.е. получение неустойчивых рабочих характеристик, а следовательно, невозможность уменьшения расхода сверхпроводящего материала, а также увеличение трудозатрат и количества хладагента в процессе понижения температуры жидкого гелия.

Известен также способ электродинамической обработки сверхпроводящего магнита из провода, стабилизированного нормальным, металлом, заключающийся в пропускании по-обмотке импульсов тока с амплитудным значением, превьшающим значение рабочего тока 2j.

Данный способ по своей технической сути и достигаемому результату является наиболее близким к описывамому изобретению.

Недостатками его являются повышенная трудоемкость, обусловленная необходимостью повторного охлаждения обмотки до сверхпроводящего состояния после электродинамической обмотки и связанный с этим повьшенный расход хладагента, недостаточно хорошие рабочие характеристики сверхпроводящего магнита, заключающейся в невозможности в полной мере воспроизвести оптимальное распределение механических напряжений в материале обмотки, в связи с чем магнит переходит в нормальное состояние при меньших относительно расчетного значениях Тока, возникает деградация, а также необходимость .как мера борьбы с механическими напряжениями и деградацией токонесущей способности дополнительного вложения в обмотку сверхпроводящего материала.

75 .2

Цель изобретения - уменьшение трудоемкости изготовления и расхода хладагента, улучшение рабочих характеристик сверхпроводящего магнита и уменьшение расхода сверхпроводящего материала.

Это достигается тем, что в способе электродинамической обработки сверхпроводящего магнита из провода,;

стабилизированного нормальным металлом, заключающемся в пропускании по обмотке импульсов тока с амплитудным значением, превьш1ающим значение рабочего тока, магнит охлаждают до

температуры жидкого азота, затем . пропускают по обмотке импульс тока в течение промежутка времени, не менее времени релаксации механических напряжений в магните.

На фиг. 1 - результаты испытания сверхпроводящего магнита в виде достигнутой плотности пондеромоторной сиЛы, а также величины токов при импульсных нагружениях в азотной

ванне (пунктирная линия обозначает отогревдо комнатной температуры), на фиг. 2 - зависимость напряженности магнитного поля от тока в соленоиде в точке максимального поля, а

также в центре и характеристика

короткого образца сверхпроводника.

Испытуемый образец сверхпроводящего магнита в жидком гелии показал, что деградация тока в нем составляет около 30% (см.например, позиции испытаний 1-5 на фиг.1). Первое импульсное нагружение было произведено (для исключения влияния металлических стенок гелиевого криостата)

в сосуде из диэлектрика в жидком азоте, причем емкость и напряжение конденсаторной батареи были такими, что не обеспечивали амплитудного значения тока вьш1е критического в

связи с увеличением сопротивления обмотки при разогреве (импульсный ток составил 2420 А, критический ток - 2580 А). Такая обработка не изменила характеристик магнита

(см.например, позиции испытаний 6-16 на фиг.1). При повторном импульсном нагружении емкость и напр;яжение батареи конденсаторов подби рались такими, чтобы импульсный ток

в магните превосходил критический

ток сверхпроводника (2740 А при критическом токе 2580 А), время превышения током критического значения

при этом составило 50 мс. Результаты сверхпроводящих испытаний магнита (испытания 17-22 на фиг.1) показали отсутствие какой-либо дегргщации (критический ток обмотки оказался равным критическому току короткого образца сверхпроводника). На фиг.2 изображена характеристика короткого образца сверхпроводника 23 и зависимость напряженности поля в центре соленоида 24 и на его обмотке 25 от величины тока.

Время превышения импульсом рабочего значения тока сверхпроводящего магнита, должно быть больше времени релаксации механических напряжений в магните, которое связано с температурой магнита вьфажениемогОоехр-j-p j где С - время релаксации, Т - температура магнита, АДо- постоянные материала магнита; k - постоянная Больцмана, причем время превьщ1ения импульсом рабочего значения тока сверхпроводящего магнита ограничено сопротивлением магнита и параметрами источника тока.

Температура вблизи температуры кипения жидкого азота (77,36 К) является оптимальной, так как при снижении температуры, например, до 20 К время релаксации механических напряжений увеличивается в десятки раз. С другой стороны, при повъшении температуры электрическое сопротивление обмотки резко возрастает. Например, при 100 К сопротивление увеличивается в два раза, декремент затухания уменьшается в 2 раза. В обоих случаях при постоянной емкости источника импульсного тока требуется увеличение напряжения, что представляет в данном случае труднопреодолимую техническую проблему, несмотря на использование емкостного источника с максимальной запасенной энер- гией 3 МДж. Тепловые возмущения, которые в данном случае являются причиной тренировки и деградации, воз124775

никают в обмотке магнита в целом на границах слоев, поэтому материал сверхпроводящего провода не влияет на режимь обработки. Важным является 5 лишь наличие в проводе стабилизирующего нормального металла, желательно с низким сопротивлением, для возможности пропустить импульс тока в резистивном состоянии. О При этом не требуется специального гелиевого криостата, необходи- мость в жидком гелии и сложном техническом оборудовании, применяемом при работе с жидким гелием, отпада- t5 ют, а сосуд, в котором проводится предварительная обработка магнита г может быть изготовлен из широкого ассортимента неэлектропроводящих материалов, например из стеклотекс20 толита, пенопласта и т.д. (Гелиевые криостаты из таких материалов практически отсутствуют). Эпюра механических напряжений в обмотке магнита при этом не изменяется, а врем; пре5 вышения импульсным током проектного значения может быть легко рассчитано.

Обработанная импульсным нагруже-

0 нием обмотка соленоида обладает, высокими Значениями механических напряжений в обмотке (5810 кг/см при расчете по модели свободного витка), которые в несколько раз превьшают

,j обычные, при полном отсутствии деградации критического тока. Обмотка запоминает тренировку после повторного захрлаживания.

Способ дает возможность получить

Q расчетные значения токов и напряженностей полей в разрабатываемых сверхпроводящих магнитных системах, позволяет значительно уменьшить коэффициенты запаса, обычно применяемые

5 при расчете сверхпроводящих магнитов, и тем самым уменьшить количе, ство сверхпроводника при изготовлении. 10OQ Iг3 . 5 / aftp f eHHOCfr7b гголЯ Фие. 2

СПОСОБ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО МАГНИТА из провода, стабилизированного нормальным металлом, заключающийся в пропускании, по обмотке импульсов тока с амплитудным значением, превышающим значение рабочего тока, о т л ич ающийся тем, что, с целью уменьшения трудоемкости изготовления и расхода хладагента, улучшения рабочих характеристик сверхпроводящего магнита и уменьшения расхода сверхпроводящего материала, магнит охлаждают до температуры жидкого азота, затем пропускают по обмотке им пульс тока в течение промежутка мени, не менее времени релаксации механических напряжений в магните. г