Способ выявления "размерного эффекта" в криорезистивных проводниках Советский патент 1990 года по МПК H01L39/24 

: Изобретение относится к электрет технике, в частности к кс 11струированию высокоэффективных криогенных обмоток возбуждения электромагнитов ; и электромашин на основе криорезистивных (гиперпроводящих) проводников (выполняемых из высокочистых метал:лов), преимущественно из сверхчисто го алюминия.

При создании мощных электромагнитных устройств - электродвигателей, :электрогенераторов, электромагнитов ;ускорителей элементарных частиц, ;электромагнитов етд-генераторов и :термоядерных реакторов и т.п. n« nrnp fTMTaTiKiM momfinM ггмо«т,то«мв

4

размеров обмоток возбуждения и снижения энергозатрат на их питание является использование для их изготовления гиперпроводящих (высокочистых) металлов, электросопротивление которых в условиях охлаждения жидким гелием или водородомможет быть снижено по сравнению с обычными проводниками - медью, алюминием в несколько тысяч (и даже десятков; тысяч) раз. При этом возможность их применения в широком диапазоне криогенных температур, отсутствие критических ограничений по плотности рабочего тока и внешнего магнитного ,

7Tf TT5T- T nOTO rTj r oRT-ii / Tit. о f ч i .-- торного облучения, в сочетании со значительно более низкой стоимостью выгодно отличают такие металлы от ; существующих сверхпроводников. I Среди таких материалов по совокупности достоинств - высокой проводи:мости, низкому удельному весуа малому магнитосопротивлению, технологичнести, сравнительной дешевизне и доступности - наибольший практический :интерес представляет высокочистьй ; (сверхчистый) алюминий, имеющий чис|Тоту 99,999% и удельное элeктpocoпpot ;тивление в слитке в состоянии постав;ки при температуре жидкого гелия 4.г А-Ю- ОМ.СМ. . ; Наиболее характерной особенностью высокочистых металлов, определяюще их исключительные электропроводящие : свойства в криогенных условиях, ЯВЛЯ1ется весьма больщая длина свободното пробега электронов проводимости, достигающая единиц миллиметра. Это является следствием значительного снижения рассеяния электронов на примесях (благодаря высокой чистоте их содержание крайне незначительно) и собственных атомах и ионах (колебаНИН которых подавлены глубоким охлаж дением) и высокого совершенства стру туры проводника (за счет отжига стру турньк дефектов). Вместе с тем возрастание длины св бодного пробега электронов приводит к возникновению в проводниках из высокочистых металлов так называемого размерного эффекта, влияния поверхности проводников на их среднее объемное электросопротивление: в слу чае, когда попере чные линейные ры проводника меньше или рав,ны длине свободного пробега, количество электронов, сталкквающихся с поверхностью и тормо этого, стайозящихся вследствие вится соизмеримьм с общим количеством электронов проводимости и тогда при неправильном выборе размеров про водника его электропроводность оказы вается ниже потенциально возможной для данного металла. Очевидно, что размерный эффект полностью отсутст вует в проводниках бесконечно больши размеров и сильнее всего должен проявляться Б проводниках малого попере него сечения (практически он суще ствен уже при уменьшении диаметра проводника до 1-3 мм). Поскольку все практически используемые проводники имеют ограниченное сечение, а высокие проводящие свойства высокочистых металлов позволяют передавать исключительно большие токи по проводникам крайне малого сечения (например, возможно обеспечение работоспособности проводников из алю fflния А999 при плотностях тока до 1000 А/мм и более), то встает вопрос о правильном выборе сечения проводника (его площади и линейных размеров сечения), чтобы при этом, с одной стороны, не оказались искусственно заниженными свойства самого проводiHKOBoro металла, а с другой не были завьшены размеры проводника, что затруднит; подбор источника электропитания (большинство которых рассчитаны на генерирование токов порядка Ojl-lO кА), Вопрос этот весьма актуален, поскольку уже в настоящее время ;возможно промъшшенное получение алю:миния чистотой 99,999% с относитель ным остаточным электросопротивлением Р 293/Р д (показывающим степень снижения электросопротивления металла при его охлаждении от нормальной 293 К до гелиевой - 4,2 К температуры) 5 достигающим 50000-60000 крат, когда длина свободного пробега электронов приближается к 10 и более г-и-ттлиметрам. Возможны два пути решения этой проблемы. Во-первых, можно пытаться чисто Теоретическим путем рассчитать размерный эффект в проводнике данного размера из определенного металла и затем выбрать оптим.эльньм (или по крайней мере приемлемый) вариант.Однако, в настоящее время этот путь практически нереален из-за трудностей расчета и отсуствия надежной общепризнанной теории размерного эффекта и ограниченного и приближенного характера ряда имеющихся теорий. Возможен также метод прямого экспериментального определения размерного эффекта по измерениям фактических значений удельного сопротивле- ния серии цилиндрических образцов разного диаметра, но его точность прямо определяется степенью адекватности всех образцов серии. Если учесть Сильную зависимость электросопротивления алюминия от температу- ры, наличия магнитного поля, величи:57

ны измерительного тока, структуры и степени дефектности металла образцов (которую как-то оценить или проконтролировать практически невозьюжно), наличия и характера примесей, методические измерительные погрешностей, связанные с неправильным выбором материала, размера и места установки на образцах токовых и потенциальных проводов, то становится понятной сложность выявления размерного эффекта таким путем.

Положение неизмеримо усложняется, если рассматривать проводники сложного, например, прямоугольного,сечения, наиболее подходяшйе для изготовления высокоэффективных обмоток (изза возможности обеспечения высоких коэффициентов заполнения по проводниковому металлу и простоты силового бандажирования, без чего использование высокочистых металлов, имеющих невысокую механическую прочность,невозможно) , и принять во внимание,что в рабочих условиях на проводники всегда действует магнитное поле,оказывающее существенное и при этом нелинейное влияние на их характеристики; в реальном производстве трудно также контролировать технологическую ,предысторию проводника, определяющую ухудшение его первоначально упорядоченной структуры, в связи с чем рекомендации, выводимые по результатам испытаний искусственных лабораторных образцов, для практики могут иметь лишь качественную ценность.

Целью изобретения является згарощение измерений, повышение их точности и усовершенствование выбора наиболее рациональной формы-и размеров проводников.

Данная цель достигается тем,что проводник помещают в криостат во внешнее поперечное магнитное поле с напряженностью, равной рабочей напряженности проводника, затем последовательно измеряют и сравнивают его электросопротивление при .разной ориентации сторон разной длины относительно направления магнитного поля, а по разнице значений измеренных сопротивлений судят о наличии и степени проявления размерного эффекта.

Достоинствами данного метода является то, что оба сравниваемых измерения проводятся на одном и том же образце, чем обеспечивается полная

717

идентичность условий их проведения

и соответственно их точность и надежность; размернЪш эффект определяется непосредственно в условиях,воспроизводящих в наибольшей степени условия работы исследуемого проводника в изделии; сокращается количество необходимых замеров; появляется возможд ность исследовать на проявления

размерного эффекта образцы с различной степенью дефектности структуры, так кзк отпадает необходимость в обязательном глубоком отжиге образ5 UOJ Д--я обеспечения адекватности.

Опробование данного метода в Институте физики твердого тела и полупроводников АН БССР (г.Минск) позволило в течение короткого времени.

0 установить наличие и степень проявления размерного эффекта в проводниках различного сечения из алюминия особой чистоты А999 с различным фактическим содержанием примесей и характером структуры в широком диапазоне значений напряженности внешнего поперечного магнитного поля (некоторые из полученных графиков приведены на фиг.1), что позволило произвести

30 обоснованньш выбор наиболее рациональной формы и размеров проводника. Так, например, четко показана нецелесообразность использования фольгообразных проводников (верхняя пара

, кривых), поскольку их фактическое

сопротивление определяется не столько сопротивлением самого металла, сколько неудачным выбором поперечных размеров (для одного и того же образ4Q ца в положении широ-ая сторона перпендикулярна полю -J,сопротивление в полтора - два раза выше, чем в положении широкая сторона параллельна полю - ( ) . Вместе с тем видно,что

д5 заметньш по величине размерный эф.фект имеет место и в достаточно массивных образцах - толщиной 0,5 и даже 1,1 мм (нижние пары кривых), что указывает на целесообразность

50 дальнейшего увеличения толщины проводников.

Важным побочным результатом этого исследования является также к зыгс вод о том, что при намотке обмоток возбуждения всегда более рационально располагать проводник на короткую сторону (на ребро), т.е. так,чтобы его длинная боковая сторона была

СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ РАЗЖРНОГО ЭФФЕКТА В КРИОРЕЗИСТИВНЫХ ПРОВОДНИКАХ, преимущественно прямоугольно;го сечения со сторонами разной дЛины, включающий измерение в криогенI ных условиях электросопротивления :проводников и сопоставление результатов, отличающийся тем, что, с целью упрощения измерений,по;вышения их точности и выбора наиболее рациональной формы и размеров провод.ника, проводник помещают в криостат во внешнее поперечное поле с напряженностью, равной рабочей напряженности для проводника, затем последовательно измеряют и сравнивают его электросопротивление при разной ориентации сторон разной длины относительно направления магнитного поля, и по разнице значений измеренных сопротивлений судят о наличии и степени проявления размерного эффекта.