Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперементе - Лагутин А.С.
ISBN: 5-283-03910-2
Скачать (прямая ссылка):
несверхпроводящем материале нити Nb не контактируют друг с другом и не
превышают по толщине нескольких десятков нанометров, то предел текучести
такого материала становится близок к теоретической прочности
металлического вискера (нитевидного кристалла). Провода именно такой
структуры и были использованы в [63], что позволило без разрушения
импульсного соленоида получить поле с Вт = 68,4 Тл при длительности
импульса т00 ^ 6 мс. Внутренний диаметр соленоида 12 мм, длина 50 мм,
обмотка состояла из 145 витков (восемь слоев), изоляцией провода служила
полиамидная пленка. Для получения такого поля в емкостном накопителе
запасалась энергия 100 кДж.
Дальнейшим шагом в этом направлении представляется совершенствование
других конструкционных элементов (изоляции, бандажа и т.п.) с целью
многократного (без разрушения соленоида) получения полей с Вт = 55 -г 65
Тл при г00 % 0,01 с.
2.2.4. Генерация поля большой длительности. Герсдорф с коллегами [37],
применив охлаждение соленоида жидким неоном (Гкип = 27 К), добились
многократной, без повреждения обмотки генерации поля с Вт = 40 Тл и т00 >
0,2 с в соленоиде с медной обмоткой и внутренним отверстием диаметром 18
мм. Расчет [36] показал, что при начальной температуре 25 К и заданных
объеме поля, его длительности и амплитуде оптимальный по механической
прочности и ресурсу объем соленоида составляет 0,0048 м3, конечная
температура 111 К, а необходимая для создания такого поля мощность равна
5,8 МВт. Если же начальная температура будет 77 К, то оптимальный объем
катушки изменится мало и составит 0,0043 м3, а вот подводимая мощность
резко возрастает до 10 МВт (при фиксированной конечной температуре, в
данном случае - 170 К). Снижение начальной температуры соленоида до 4,2 К
не дает существенного выигрыша. Дело в том, что теплоемкость медного
провода в диапазоне Г = 4 25 К очень мала, поэтому и необходимая
для генерации поля энергия и конечная температура очень слабо зависят от
начальной температуры, если она менее 25 К.
При Вт = 40 Тл в тепловую переходит энергия 1 МДж, так что внешней
системе охлаждения мощностью 150 Вт необходимо примерно 2 ч для
восстановления исходной температуры. При снижении Вт до 20 Тл зто время
сокращается до 20 мин. Обмотка изготовлена из медного провода
прямоугольного сечения с площадью около 20 мм2, соленоид со-
53
держит 680 витков - 34 слоя по 20 витков в каждом. Для упрочнения
конструкции между десятым и одиннадцатым слоями вставлен цилиндр из очень
прочной стали с толщиной стенки 5 мм (прочность на разрыв 2400 МПа).
Расчет напряжений в соленоиде показал, что именно вблизи срединных слоев
напряжения во время импульса максимальны и достигают 2000 МПа.
Предел текучести для нагартованной чистой меди при Т = 77 К равен 400
МПа. Отсюда следует, что Vос д0' = 22,44 Тп,т.е. (см. В^ в п. 2.1.1)
максимально достижимое значение Ддосх с использованием как
промежуточного, так и наружного бандажа составляет 43,9 Тл. Ресурс
соленоида при работе в таком режиме мал, поэтому на практике амплитуду
поля ограничивают на уровне 0,9Вт дост. В данном случае это составляет
примерно 40 Тл. Соленоид выдержал за семь лет работы около 2000 импульсов
поля с Вт от 35 до 40 Тл. Разрушение все-таки произошло - вследствие
короткого замыкания двух внутренних слоев обмотки.
Сопротивление обмотки при Т = 25 К составляло 7 мОм, оно увеличивалось до
150 мОм после импульса с Вт ~ 40 Тл и т00 =0,1 с; при Т = 300 К оно
равнялось 225 мОм. Собственная индуктивность соленоида около 20мГн.
Питание этого импульсного соленоида электрическим током осуществлялось
нестандартным способом, поэтому рассмотрим его более подробно. Источником
энергии служила промышленная электросеть, допускающая кратковременную (на
несколько секунд) перегрузку до 8 МВт. Максимальное подводимое напряжение
не превышало 1000 В - в противном случае возникала бы необходимость
применения специальных высоковольтных тиристоров и, кроме того, велика
была бы опасность возникновения электрической дуги в обмотке. В то же
время при напряжениях, существенно меньших 1000 В, имеют место
значительные омические потери в цепи от выпрямителя до соленоида.
Линия промышленного напряжения 10 кВ связывалась с первичной обмоткой
мощного (825 кВт) трансформатора, сконструированного таким образом, что
даже при коротком замыкании вторичной цепи силы, действующие между
витками вторичной обмотки, не превышали предельно допустимых. На короткое
время (примерно 0,1 с) такой трансформатор выдерживал более чем
десятикратную перегрузку. Со вторичной обмотки напряжение 660 В частотой
50 Гц поступало на выпрямитель: каждое из шести его плеч содержало по три
включенных параллельно тиристора, рассчитанных на максимальное напряжение
2 кВ. Этот запас по напряжению нужен был для того, чтобы избежать выхода
из строя тиристоров при кратковременных (порядка 1 мкс) перегрузках,
возникающих при размыкании цепи, т.е. в момент запирания тиристора.
