Физическая энциклопедия Том 4 - Порохов А.М.
Скачать (прямая ссылка):
С. м. п., существующие в микромире, могут быть обнаружены при проведении нек-рых физ. экспериментов. Поля IO5^-IO7 Э имеются вблизи ядер свободных атомов, на что указывает сверхтонкая структура энергетнч. уровней электронов (см. также Внутрикрис-таллическое поле). С. м. п, возникают при фокусировании мощных лазерных пучков. Напр., при фокусировке лазерного излучения мощностью P — IO12 Вт на площади S — Ю-4 см2 плотность эл.-магн. энергии Plc S в фокусе соответствует напряжённости поля H — (SnPfcS)1^i, т. е. ~ IO7 Э. Признаки существования магн. полей напряжённостью до IO8 Э обнаружены при кумуляции плазмы в установках типа плазменного фокуса. Магн. поля звёздного уровня должны возникать при нецентральных столкновениях тяжёлых ионов. Эквивалентный электрич. ток ионов при таких взаимодействиях может возбуждать магн. поле Я - (Z1 + Z2) еу/4JicRz. При относительной скорости ионов V = 0,1 с и суммарном заряде (Z1 + Z2) >170 на очень коротких расстояниях R, сравнимых с радиусом ядра, поле может достигать величины ~1014Э.
Получение сильных в сверхснльных магнитных полей. Задачи получения сильных магн. полей в лаб.
449
СВЕРХСИЛЬНЫЕ
СВЕРХСИЛЬНЫЕ
практике сводятся к созданию источников тока и спец. устройств (соленоидов, катушек, лайнеров и др.), в к-рых и генерируется поле при прохождении через них тока. Источники тока и соленоиды должны удовлетворять техн. требованиям, соответствующим уровню получаемых полей. Т. к. H сс /, то в общем случае увеличение поля в соленоиде требует соответствующего роста тока I. А это в свою очередь приводит к увеличению выделения джоулева тепла в материале соленоида и росту в нём механич. напряжений (за счёт магн. составляющей Лоренца силы). Поэтому осн. проблемы на пути продвижения в область более сильных полей связаны с решением задач тепловой стойкости н механич. прочности соленоидов.
Сильные стационарные магнитные поля получают в водоохлаждаемых резистивных системах, состоящих, как правило, нз 2—3 коаксиальных соленоидов разл. конструкций. Максимально достигнутое поле в рабочем зазоре 32—50 мм составляет 250 кЭ (Институт физики твёрдого тела им. М, Планка, Гренобль, Франция). Ограничение величины поля связано с проблемой охлаждения обмоток соленоидов. Мощность Р, рассеиваемая в катушке, связана с величиной поля H0 в её центре соотношением
Р=(г#!Щн\,
где г0 — внутр. радиус катушки, р — уд. сопротивление проводника, К = V1 /(V1 4- V0) — коэф. заполнения (V1 — объём проводника, V0 — объём пространства в обмотке, незаполненный проводником), G — константа, характеризующая геометрию катушки. Чтобы получить, напр., поле H = 100 кЭ в медной катушке с г0 = 2 см при комнатной темп-ре, нужен источник тока мощностью P ;> 2 МВт. Для получения магн. поля в 250 кЭ использовался источник с P ^ IOMВт, а расход охлаждающей дистиллиров. воды составил 400 м3/ч. В качестве одиой из секций резистивных соленоидов часто используется конструкция катушки, предложенная Ф. Биттером (F. Bitter, 1939). В ней металлнч.
450
Рис. 1. Конструкция соленоида Биттера: 1 — охлаждающие отверстия; г — медные пластины; 3 — неизолированная поверхность контакта; 4 — изоляционные кольца; 5 — сечение катушки.
дисии с разрезами, служащие витками соленоида, и изолирующие прокладки образуют при сборке двойную спираль, а охлаждающая вода прогоняется через перфорацию в дисках (рис. 1). Резистивные стационарные магниты с их системами питания и охлаждения представляют собой крупные дорогостоящие сооружения, ис-
пользующиеся во мн. науч. центрах. Дальнейшее шеи не напряжённости стационарных полей в об резистивных системах ограничено техн. возможна отвода больших мощностей, выделяющихся в объёмах. Кардинальное решение проблем тешювь ния при генерации С. м. п. даёт использование смфйі проводящих материалов. Однако макс. поля, іііііі]імйц мые в сверхпроводящих соленоидах, не превыг 175 кЭ, хотя критические магнитные поля (Hc) нек-рйц^ сверхпроводников имеют большие значения (H&Q&f Hc « 250 кЭ в Nb8Ge7 Hc « 350 кЭ в V3Ga). ~ иие сверхпроводящих маги, систем с маги.
>175 кЭ затрудняется уменьшением с ростом критического тока и технол. проблемами.
Использование комбиннров. магн. систем, сочетая^ щих в одном устройстве резистивный и сверхпровоЭД»; щий соленоиды, даёт перспективу получить стационар»! ные магн. поля до 500 кЭ. В таких устройствах получ*г| но стационарное маги, поле напряжённостью 318 (Национальная магиитиая лаборатория нм. Ф. Б и»
н,т
:жатие магнитного потока
IO X1 с
Рве. 2. Зависимость напряжённости магнитного поля от тельности импульса.
тера, США, 1987). Более высокие поля получавд; только в квазистационарном и импульсном режимах (рис. 2). Первые системы для получения таких сильных магн. полей были созданы П. Jl. Каш* цей (1924).
Квазистационариымн обычно иаз. силь ные магн. поля с Длительностью импульсов йо&я (т ~ IO-3 ч- 10 с), при к-рон в соленоидах ещё слабо проявляется скин-эффект. Если напряжённость маги, поля при такой длительности импульсов не превьийЖ&г 1 МЭ, его ещё можно получать в неразрушающихся системах. Для ограничения тепловыделения q ~ /2рт ~ ~Я2рт в материале катушки, растущего с повышением поля, используют два пути: уменьшение длительности импульса поля т и снижение уд. сопротивления р материала соленоида. (Предварительное охлаждение медиой обмотки соленоида до темп-ры жидкого азота [77,4 К] снижает её уд. сопротивление в 8 раз, а охлаждение до темп-ры жидкого водорода [20,4 К] — в 1000 раз.) При больших значениях поля мощность, выделяющуюся в обмотке соленоида, невозможно снять в течение импульса охлаждающей жидностыо и, чтобы ие допустить опасного перегрева, нужно рассчитывать только на собств. теплоёмкость обмотки. При конструировании криогенных соленоидов необходимо учитывать, что с ростом поля и снижением темп-ры у мн. металлов (напр., у Cu) линейно с полем растёт магнетосопротш-ление. В качестве материала для криогенных соленоидов часто используют алюминий высокой чистоты (99,999%), т. к. его магнетосопротивление при темп-раї 20—30 К стремится к насыщению уже в полях 20— 40 кЭ. Помимо снижения электросопротивления глубокое охлаждение повышает механич. прочность материала соленоида, поэтому охлаждённые катушки выдер-
