Стабилизация сверхпроводящих магнитных систем - Альтов В.А.
Скачать (прямая ссылка):
Принцип тепловой стабилизации сверхпроводников был предложен 3. Стекли в
1965 г. [Л. 4-1]. Следует подчеркнуть, что и до появления этой работы из
общих соображений была очевидна целесообразность использования
сверхпроводящего провода, армированного медью; выпуск сверхпроводящего
провода с медным покрытием был начат еще в 1962 г. Однако только в
указанной работе впервые были четко сформулированы основы метода тепловой
стабилизации, положившие начало новому плодотворному направлению в
работах по созданию крупных сверхпроводящих магнитных систем.
Как отмечалось выше, появление нормальной зоны в сверхпроводящей обмотке
может быть вызвано различными причинами. Наиболее непредсказуемой и, сле-
70
довательно, наиболее опасной с точки зрения условий эксплуатации
магнитной системы причиной является "катастрофический" скачок потока.
В том случае, когда нормальная зона возникла в сверхпроводящем проводе,
не имеющем подложки из нормального металла, при протекании тока через
находящийся в нормальном состоянии участок провода на этом участке будет
выделяться джоулево тепло. Это тепло будет отводиться путем теплоотдачи в
окружающую среду (ванна с жидким гелием) и путем теплопроводности в
соседние сверхпроводящие участки провода. Под действием' теплового потока
температура соседних участков будет повышаться, и по достижении
температуры ТС(В, J) они будут переходить в нормальное состояние. Таким
образом, будет происходить непрерывный процесс распространения нор-
должающийся до полного перехода всей обмотки в нормальное состояние.
В случае, когда ток протекает по комбинированному проводнику
(сверхпроводник в матрице из нормального металла), физические процессы,
происходящие при возникновении в сверхпроводнике нормальной зоны,
оказываются существенно иными.
Приведенный ниже анализ этих процессов выполнен для случая, когда
причиной возникновения нормальной зоны является увеличение тока в
проводнике выше критического значения IC(B, Т). Как будет показано,
результаты анализа распространяются и на случаи, когда появление
нормальной зоны вызвано любыми другими причинами- "катастрофическим"
скачком потока, перемещением витков омботки, локальным разогревом и т. д.
Рассмотрим комбинированный проводник, состоящий из сверхпроводника и
шунта (подложки) из нормального металла (рис. 4-1). Будем считать, что
проводник находится в постоянном магнитном поле с индукцией В и помещен в
ванну с жидким гелием, имеющую постоянную температуру Тв. Сделаем
следующие предположения;
2 1
2
Рис. 4-1. Структура комбинированного проводника.
I - сверхпроводник; 2 - подложка.
71
1) температура постоянна по сечению комбинированного проводника и раена
температуре на его поверхности;
2) между сверхпроводником и подложкой имеется идеальный электрический и
тепловой контакт;
3) электрическое сопротивление сверхпроводника в нормальном состоянии
очень велико по сравнению с сопротивлением материала подложки, и,
следовательно, если сверхпроводник окажется в нормальном состоянии, то
весь ток переноса будет идти только по подложке1;
4) удельное сопротивление материала подложки не изменяется с изменением
температуры;
5) коэффициент теплоотдачи от поверхности комбинированного проводника к
жидкому гелию не зависит от температуры;
6) температура рассматриваемого участка проводника одинакова по всей его
длине, т. е. переход сверхпроводника в нормальное состояние происходит
сразу по всей длине рассматриваемого участка.
Обозначим силу постоянного тока, текущего по комбинированному проводнику,
через /. Очевидно, что до тех пор, пока сверхпроводник находится в
сверхпроводящем состоянии, весь ток течет только по сверхпроводнику, ток
в подложке отсутствует. В этом случае в комбинированном проводнике нет
никаких тепловыделений и его равновесная температура равна температуре
гелиевой ванны Тв.
Обозначим критический ток сверхпроводника при температуре Тв через /св, а
критический ток этого сверхпроводника при произвольной температуре Т-
через /с (т, В).
Очевидно, что
/св=/с(7'в, В). (4-1)
1 При гелиевых температурах удельное сопротивление стандартной
электротехнической меди марки Си 01 составляет 8 • 1О-0 Ом • см, тогда
как удельное сопротивление проволоки из сплава Nb - 60% Ti при этих же
температурах 220 • 10_6 Ом ¦ см. Поскольку, одиако, вследствие
магииторезистивиого эффекта сопротивление меди в сильных магнитных полях
возрастает, различие удельных сопротивлений оказывается несколько
меньшим. Для отечественной меди марки ММ (ГОСТ 2112-62), обычно
используемой в качестве материала подложки, р4,2 к~15-н20 • 10-9 Ом • см;
таким образом, в сильных полях удельные сопротивления подложки и
сверхпроводника в нормальном состоянии отличаются примерно иа четыре
порядка.
72
Критическая температура свёрхпроводнйка в Данном поле при нулевом токе
определяется соотношением
7'со=П(0, В). (4-2)
Как известно, для большинства неидеальных сверхпроводников II рода
