Стабилизация сверхпроводящих магнитных систем - Альтов В.А.
Скачать (прямая ссылка):
При появлении в сверхпроводящей обмотке нормального участка
сверхпроводящая магнитная система от-
60
клЮчается от источника питания. Ток в обмотке практически мгновенно
падает до нуля, а энергия, запасенная в системе, поглощается вторичной
обмоткой 1 - при прекращении тока в. первичной обмотке наводится ток во
вторичной обмотке. Этот наведенный ток и поддерживает магнитное поле.
Таким образом, функцию поддержания магнитного поля в системе принимает на
себя короткозамкнутая вторичная обмотка. Поскольку сопротивление этой
обмотки отлично от нуля, то, разумеется, часть запасенной энергии
выделяется во вторичной обмотке в виде джоулева тепла. Однако, так как
сопротивление обмотки мало (и, следовательно, постоянная времени т=L/R
велика), ток во вторичной обмотке и, следовательно, магнитное поле,
поддерживаемое этой обмоткой, уменьшаются относительно медленно.
По прошествии определенного промежутка времени в результате теплоотдачи к
жидкому гелию температура сверхпроводящей обмотки снижается ниже
критической для данного поля и эта обмотка вновь переходит в
сверхпроводящее состояние. После этого сверхпроводящая обмотка вновь
подключается к источнику питания и ток "переходит" из вторичной
короткозамкнутой обмотки в первичную. В цепь первичной обмотки ток
вводится источником питания, при этом ток во вторичной цепи снижается до
нуля.
Практически всем рассмотренным схемам защиты присущ общий органический
.недостаток: даже при условии полного сохранения целостности магнитной
системы (т. е. ее обмотки и криостата) эта система перестает выполнять
свою основную функцию-генерировать магнитное поле. Магнитное поле
исчезает при затухании тока в сверхпроводящей обмотке. Единственным
исключением из этой закономерности является рассмотренная выше система
защиты подключенной к источнику питания сверхпроводящей обмотки
индуктивно связанной с ней короткозамкнутой вторичной обмоткой. В этом
случае, как отмечено выше, функцию поддержания магнитного поля принимает
на себя вторичная обмотка. Однако вследствие необходимости обеспечить
низкое сопротивление вторичной обмотки массогабаритные показатели
последней становятся сравнимыми с показате-
1 Благодаря этому на токоподводах сверхпроводящей обмотки не возникает
перенапряжений.
61
Лями самой сверхпроводящей системы. Понятно, что такой метод защиты не
может быть рекомендован для широкого применения.
Между тем, в целом ряде технических объектов, в которых сверхпроводящие
системы используются для обеспечения магнитного поля, исчезновение поля
может привести к аварии, хотя собственно магнитная система остается
неповрежденной. Отсюда очевидно, что описанные методы защиты
сверхпроводящих магнитных систем являются в конечном итоге весьма
несовершенными.
Выше было указано, что аварийный переход сверхпроводящей магнитной
системы в нормальное состояние является результатом возникновения в
обмотке зародыша нормальной зоны. Следовательно, идеальным методом защиты
являлся бы такой метод, который исключал бы возможность появления в
обмотке нормальной зоны или, по крайней мере, препятствовал ее
неконтролируемому распространение по обмотке в случае, если нормальная
зона все-таки по той или иной причине возникла. Именно таким методом
защиты является рассматриваемая далее стабилизация сверхпроводящих
обмоток.
3-4. ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ НОРМАЛЬНОЙ зоны
Прежде чем приступить к рассмотрению стабилизации сверхпроводящих
магнитных систем, остановимся подробно на причинах возникновения в
обмотке нормальной зоны.
В гл. 2 отмечалось, что свойства сверхпроводящих материалов могут быть
охарактеризованы тремя основными параметрами: критической температурой
ТС(В, /), критической магнитной индукцией ВС(Т, /) и критическим током /с
(В, Т). Иными словами, сверхпроводящая область определяется некоторой
функцией GC(T, В, /), характерной для данного материала. Надежная работа
сверхпроводящего устройства возможна только при условии G(T, В, /)<Сс.
При превышении Сс сверхпроводящие свойства материала исчезают и в обмотке
появляется нормальная зона.
Очевидно, что детальная информация о свойствах сверхпроводящего
материала, использованного в обмотке, позволяет в принципе выбрать такой
режим работы магнита, чтобы избежать превышения в любой точке
62
обмотки критических параметров и тем самым исключить возможность
появления нормальной зоны. Однако на практике положение осложняется тем,
что в силу различных дефектов технологического процесса сверхпроводящая
проволока имеет не всегда одинаковые свойства по длине. Чем больше ее
длина, тем больше вероятность того, что данный отрезок проволоки будет
содержать "слабый" участок, на котором критические свойства материала
ниже критических свойств остальной проволоки. Критические свойства
обмотки, изготовленной из этого отрезка проволоки, будут в целом
определяться свойствами этого "слабого" участка. Что же касается
определения критических параметров этой проволоки на коротком образце, то
