Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперементе - Лагутин А.С.
ISBN: 5-283-03910-2
Скачать (прямая ссылка):
но уже наметился переход к более сильным полям - вплоть до Вт = 1000 Тл
[183-185], причем магнитооптика как основная экспериментальная методика,
применяемая в этом диапазоне полей, вполне пригодна и при Вт > 1000 Тл.
162
В таких полях могут быть поставлены эксперименты, нужные для проверки
ряда предсказаний квантовой электродинамики, а также возможно изучение
влияния на вещество резких изменений температуры и давления, которыми
сопровождается генерация столь интенсивных и быстро нарастающих магнитных
полей.
Обсудим более подробно перспективы техники генерации СМП и их
использования в эксперименте. При этом проблемы получения постоянных
магнитных полей рассматривать не будем - они достаточно хорошо отражены в
литературе, да и методически выходят за рамки избранной тематики.
5.2.1. Квазистационарные СМП. Вместе с задачей удержания поля важное
значение при генерации импульсов поля большой длительности приобретает и
проблема отвода рассеиваемой в соленоиде мощности, значение которой
характеризуется интегралом тока (см. § 2.1). Один из путей решения этой
проблемы - увеличение размеров соленоида. Действительно, чем больше
габариты обмотки соленоида для получения заданного поля, тем меньше
становится плотность тока и, следовательно, тем продолжительнее может
быть импульс поля без опасности перегрева проводника, используемого для
изготовления соленоида. Из рис. 5.4 видно, что для получения поля с Вм =
50 Тл и т0о " 1 с в рабочем отверстии внутренним диаметром 5 см
необходимо иметь соленоид массой не менее 4000 кг и к нему источник
энергии с запасом энергии не менее 200 МДж (предполагается, что исходная
температура соленоида 77 К). При том же допустимом нагреве импульсного
соленоида и примерно той же энергоемкости источника можно будет получить
импульс поля амплитудой Вт =75Тл при то0 "0,5 с.
Квазистационарные (т00 > 0,01 с) магнитные поля с Вт = 15^ 100 Тл могут
быть созданы с применением имеющейся в настоящее время технологии и
мощных накопителей энергии, аналогичных используемым в термоядерной
программе. Поля с т0о около 1 с позволят провести
5.2. ГЕНЕРАЦИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ: НОВЫЕ ИДЕИ
Рис. 5.4. Зависимость амплитуды импульса поля от его длительности для
охлаждаемого жидким азотом соленоида с внутренним отверстием диаметром 5
см. Параметры расчета - масса т и запас энергии Е, необходимые для
получения заданного поля при одном и том же иагреве обмотки [21]:
1 - т - 4000 кг, Е - 200 МДж; 2 -т - 500 кг, Е- 50 МДж
0 0,5
^ ccfC
163
Рис. 5.5. Устройство генератора СМП, основанного на сжатии магнитного
потока вращающимся металлическими дисками (N и 5 - полюсы электромагнита,
создающего начальный поток; I -ток в его обмотке; А, В, С и D -
металлические диски; V - линейная скорость вращения края). Сжатие
магнитного потока показано на рисунке как сгущение силовых линий [186]
Рис. 5.6. Металлическая пластина, перемещаемая в зазоре электромагнита с
постоянной скоростью [186]
предварительные эксперименты, необходимые для отработки конструкции
соленоида, генерирующего постоянное поле с В = 50 -г 75 Тл. Основанием
для такого вывода служит тот факт, что конструкции и технология
изготовления крупных импульсных соленоидов с импульсом поля большой
длительности (т00 ^>0,1 с) во многом похожи на те, которые используются
при создании соленоидов с постоянным магнитным полем.
Почти каждое десятилетие в истории развития техники СМП характеризовалось
не только значительными достижениями в совершенствовании известных
методов получения СМП, но и появлением новых идей, новых методов их
генерации (см. гл. 1). В 80-е годы эта тенденция сохранилась; одним из
примеров этого служит генератор СМП, прототип которого предложили
японские ученые Бищо и Ямада [186].
Принцип действия зтого устройства основан на сжатии магнитного потока
вращающимися металлическими дисками, которые выталкивают магнитный поток,
создаваемый электромагнитом, в малую область пространства, окруженную
этими дисками (рис. 5.5). Физические процессы, лежащие в основе работы
такого генератора СМП, проще понять, если рассмотреть следующую простую
модель.
Пусть плоская металлическая пластина толщиной d перемещается
перпендикулярно полю со скоростью V (рис. 5.6). Если V = 0, то маг-164
нитное поле полностью проникает в толщу проводника. При возрастании V это
поле ослабляется, а при V -*¦ °° напряженность магнитного поля внутри
пластины спадает до нуля. Степень эффективности такой магнитной
экранировки зависит от соотношения между двумя характерными временами -
тдиф и тэкс. Первое описывает скорость диффузии магнитного поля в
материал с проводимостью о(тдиф = д0ad2/тг2), а второе - длительность
экспозиции, т.е. время, в течение которого участок пластины длиной /
находится в магнитном поле (тэкс = 1/V). Если тдиф > тэкс, то имеет место
магнитная экранировка. Обычно для оценки соотношения этих времен
используют магнитное число Рейнольдса
Rem = ц0оУ1.
Если Rem > 1, то магнитное поле практически не проникает внутрь
