Сверхпроводник с охлаждением внутреннего типа Советский патент 1985 года по МПК H01L39/24 

1

Изобретение относится к сверхпроводникам, более конкретно к с сверхпроводникам с охлаждением внутреннего типа, и может быть ис пользовано в имеющих большие размеры, создающих сильные магнитные поля сверхпроводящих катушках.

Целью изобретения является повышение эффективности охлаждения.

О стабильности сверхпроводника с охлаждением внутреннего типа можно судить по тому, является ипи нет параметр стабилизации об, выражаемый

э

-f 3 А I

ы -

Pb(VT,l

меньшим, чем 0,8,

Здесь У - удельное электрическое сопротивление (Ом-см) стабилизирующего материала; J - ток проводимости (А

сверхпроводника А - площадь сечения (см стабилизирующего материалаj Р - длина периферии канала (с h - интенсивность теплоотдачи

. (Вт/см. град) ; Т - температура (град) парапроводника j

Tg - температура (град) охладителя.

Предположим теперь, что условия нагрева сверхпроводника (числитель в выражении (1) , тип сверхпроводника и состояние охладителя являются неизменными, отчего справедливо соотношение и стабилизированное состояние может быть достигнуто путем увеличения Р). Что касается интенсивности теплоотдачи в случае использования в, качестве охладителя сверхкритического гелия, то желательно, чтобы площадь сечения канала охладителя была малой, а периферическая длина - большой.

С другой стороны, в случае сверхпроводника с охлаждением внутреннего типа, когда течение охладителя создается нагнетанием, потеря давления на единицу длины сверхпроводшка выражается

.0

. (2) U Sfr

где Р - разность давлений; Г. - длина проводника,

9208. 2

Соответственно, когда площадь сечения канала охладителя становится малой, потеря давления охладителя становится большой и необходимо 5 уменьшить длину канала охладителя. В итоге, описанное исследова11ие приводит к тому, что площадь сечения канала охладителя может оказаться равной минимальной величине, до0 пустимой сточки зрения длины канала охладителя, и что периферическая длина канала может быть увеличена ,с увеличением сечения в наибольшей степени. Для увеличения периферической длины канала увеличивают периферическую длину стенки канала охладителя, находящуюся в контакте с охладителем.

При рассмотрении имеющей боль0 шив размеры, создающей сильные магнитные поля сверхпроводящей катушки ток проводимости сверхпроводника этой катушки равен нескольким десяткам килоампер, и он превращается в конструкцию проводника, которая включает в себя не только комрозитньш сверхпроводяац1й провод, способный проводить такой ток, но также стабилизирующий материал,усиливающий элемент и т.д. Соответственно, хотя площадь сечения канала охладителя, занимаемая в полном сечении сверхпроводника, может изменяться в зависимости от

5 названных условий, необходимо,чтобы отношение полной периферической длины стенки канала охладителя, находящейся в контакте с охладителем, к полной площади площади сечения канала охладителя было боль-шим некоторого значения (30-40 см ) так как, если это отношение меньше такого значения, стабилизация имеющей большие размеры, создающей

5 сильные магнитные поля сверхпроводя: щей катушки становится затруднительной. Верхний предел отношения полной периферической длины стенки канала охладителя, находящейся в контакте с охладителем, к полной площади сечения канала охладителя определяется технологией изготовления проводника и длш-юй канала охладителя. Нижним предельным значением отношения площади сечения канала охладителя к площади сечения сверхпроводника с точки зрения длины канала охладителя, имеющей боль31

ие размеры, создающей сильные магитные тюля сверхпроводящей катуши, является значение 4%. Когда то отношение больше, чем 22%, сечение проводника должно быть большим, что приводит к уменьшению лотности тока катушки.

На фиг. 1 показан разрез сверхроводника с охлаждением внутреннего типа по изобретению, вариант на фиг. 2 - то же, второй вариант, на фиг, 3 - график зависимостей ежду .параметром стабилизации (об) и отношениями периферической длины анала охладителя к площади сечеНия канала охладителя у сверхпроводников с различными знаяениями отношения площади сечения канала охладителя к площади сечения сверхпроводника, на фиг. 4 - график зависимостей между длиной канала охладителя и отношениями периферической длины канала охладителя к площади сечения канала охладителя у сверхпроводников с различньми значениями отношения площади сечения канала охладителя к площади сечения сверх проводника.

На фиг. I показан спроектированный и изготовленный сверхпроводник. Размеры поперечного сечения его равны: ширина 46 и высота 21 мм, критический ток сверхпроводника 40 кА при магнитной индзп ции 1 2 Тл и температуре 5 К К обозначает абсолютную температуру).

Согласно фиг. I сверхпроводник 1 включает в себя пару содержащих три-ниобий-олово (NbjSn) композитных сверхпроводящих проводников 2, покрытых стабилизирующим материалом, например медью, алюминием и т.д., стабилизатор 3 и пару усиливающих элементов 4. Стабилизатор 3, выполненный из меди, алюминия или других подобных материалов, снабжен в центральной части поперечного сечения каналом и охладителя. Канал 4 охлаителя имеет волнообразную форму боковой стенки и снабжен множеством ребер высотой 2 мм при угле заострения 30 . Усиливающий элемент 5 выполнен из нержавеющей стали, покрытой теплопроводным материалом 6, например медью или другим подобным материалом. Пара усиливающих элементов 5 соединена со стабилизатором 3 пайкой серебряным припо92084

ем или электронно-лугевой сваркой, чтобы можно было сохранить высокую теплопроводность. Узел стабилизатора и усиливающих элементов соеди- 5 няется с парой композитных сверхпроводящих проводов 2 пайкой серебряным припоем, электронно-лучевой сваркой или другим подобным способом, чтобы можно было сохранить высокую теплопроводность. Отношение площади сечения канала охладителя к полной площади сечения сверхпроводника 1 равно.8,3%, а отношение периферической длины стенки канала 15 охладителя, находящейся в контакте с охладителем, к площади сечения канала охладителя равно 26,4 см. Затем исследуется стабильность в том случае, когда сверхкритический 20 гелий при температуре 5 К под давлением 8 ат нагнетается через канал охладителя описываемого сверхпроводника с расходом 5 г/с, а через паропроводниковую часть пропускается ток

25 катушки силой 20 кА. В результате описанный параметр стабилизации становится равным 0,75, и сверхпроводник стабилизируется. Потеря давления в канале охладителя при этом

30 составляет 2,6 ат при длине канала 10 м. Сверхкритическое состояние удовлетворительно поддерживалось даже в выходной части канала, и приемлемое значение длины канала соз-

, дается для имеющей большие размеры сверхпроводящей катушки. При этом плотность тока всего проводника, включая канал охладителя, равна 41,4 А/мм при магнитной индукции

Q 12 Тл и может быть высокой для сверхпроводников такого вида.

На фиг. 2 представлен сверхпроводник, в котором канал охладителя представляет собой большое

45 число составляющих параллельных

каналов. Размеры поперечного сечения и параметры сверхпроводника I являются такими же, как и в описанном варианте и включает в себя не-

50 сколько содержащихNb.Sn композитных сверхпроводяш 1х проводов 2, каждый из которых покрыт стабилизирующим материалом, несколько стабилизаторов 3, каждый из которых

55 снабжен каналом охладителя 4, и несколько усиливающих элементов 5, покрытых -теплопроводным материалом 6. Стабилизатор 4 и пара усиливаюi-.aix 1лемет1тс.п ) с теплопроводным млтерилппм 6, расположенных на ггротивпположных сторонах, соединены пайкой серебрят,1М припоем, электрон ио--лучевой сваркой или другим подоб ным способом - с целью образования узла 7, Узел 7 располагается между парой содержащих Nb,Sn композитных сверхпроводящих проводов 2 и соединяется с ними тем же способом, какой указывался. Так как сверхпроводник 1 разделен на несколько частей, (канал ох„падителя разделен на четыре элемента), то периферическая длина канала охладителя 4, находящаяся в контакте со стенкой 8 канала, больше сечения канала охладителя 4. Внутренняя поверхность стенки канала 8 снабжена неровностями, име ющими радиус 0,5 мм. В результате доля площади сечения канала охладителя 4, занимаемая в полном сечении проводника , равна 6,2%, а отношение полной периферической длины стенки 8 канала охладителя, находящейся в контакте с охладителем к площади сечения канала охладителя 4 равно 33,5 см При исследова нии стабильности сверхпроводника 1 в условиях описанного варианта параметр стабилизации сс равен 0,57, при этом сверхпроводник 1 более ст билен, чем описанный, и потеря дав ления в канале охладителя 4 равна 2,9 ат при длине канала 500 м. Све .критическое состояние удовлетворительно поддерживается даже в выход ной части канала, и приемлемое зна чение длины канала создается для имеющей большие размеры сверхпроводящей . Когда условия 086 стабилизации анало1-ичны описанному варианту, плотность ток всего СР ерхпроводника 1 , включая каналы охладителя 4, равна 46,6 Л/мм при магнитной индукдаи 12 Тл, т.е. больше, чем в сверхпроводнике 1. Затем применительно к ниобийоловянному () сверхпроводнику. который имел те же размеры поперечного сечения, что и описанные два варианта, исследуют площадь сечения канала охладителя, его периферическую длину, находящуюся в контакте со стенкой канала, стабильность сверхпроводника и потерю давления в канале охладителя. Площади сечения ниобий-оловянных () композитных сверхпроводящих проводов и усиливающих элементов выдерживаются постоянными, а увеличение или уменьшение площади сечения канала охладителя создают путем увеличения или уменьшения площади сечения стабилизирующего материала. Размеры поперечного сечения указанных сверхпроводников, материал композитного сверхпроводящего провода, площадь поперечного сечения усиливающего элемента, параметры сверхпроводника, состояние охладителя и т.д. остаются неизменными. Однако даже тогда, когда численные значения и параметры этих сверхпроводников увеличиваются, что создает сильные магнитные поля, указанные эффекты существенно не снижаются. Изобретение относится также и к другим сверхпроводящим материалам, например ванадий-галлиевым и ниобийтитановым.

СВЕРХПРОВОДНИК С ОХ ПАДДЕНИЕМ ВНУТРЕННЕГО ТИПА, содержащий два параллельных сверхпроводящих провода и канал для охлаждения, проходящий вдоль сверхпроводящих проводов, отличагощи йс я тем, что, с целью повышения эффективности охлаждения, в него введены расположенные друг над другом и между сверхпроводящими проводами два усиливающих элемента и стабилизатор, причем стабилизатор расположен между усиливающими элементами, при этом канал для охлаждения проходит внутри стабилизатора, внутренняя поверхность которого снабжена ребрами, имеющими острый угол 30 , а отношение дли5S ны поперечного сечения внутренней сл стенки канала для охлаждения к площади поперечного сечения этого канала равно 30-40 см , а площадь поперечного сечения канала для охлаждения составляет 4-22% от полной площади сверхпроводника.