Экспериментальное исследование стабильности сверхпроводящего состояния в модельных обмотках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР

На правах рукописи

Г # 8 3

КРУГЛОВ Сергей Леонидович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО СОСТОЯНИЯ В МОДЕЛЬНЫХ ОБМОТКАХ

Специальность 01.04.13 — электрофизика

ь;ореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва — 1992

Работа выполнена в Российском научном центре ■'КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ"

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

В.Е. Кейлин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

А.Л. Рахманов

]сандидат физико-математических наук О.И. Погорелко

Ведущая организация: Физический институт

им. Лебедева РАН

Защита состоится 1993 г. в /Р час на засе-

дании специализированного Совета К 002.53.02 при Институте высоких температур РАН: 127412, Москва, Ижорская ул., д. 13/19, ИВТАН.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим высылать в адрес Совета: 127412, Москва, Ижорская ул., д. 13/19, ИВТАН, ученому секретарю Совета К 002.53.02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИВТАН.

Автореферат разослан Я^/Ся 1992 г.

Ученый секретарь

специализированного Совета К 002.53.02 кандидат физико-математических наук А.Т. Кунавин

@ Научное объединение "ИВТАН" Российской академии наук, 1992

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

^МббтУ тГо'ЙгТкщена исследованию влияния различных факторов, а именно: условий охлаждения, конструктивных особенностей проводников и обмоток, типа возмущения на работоспособность сверхпроводящих обмоток, а также исследованию устойчивости и потерь в обмотках нового типа — геликоидальных.

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

В последнее время появление большого количества проектов все более и более крупных сверхпроводящих магнитных систем (CMC) различного назначения требует новых подходов к выбору конструкции проводника и обмотки. Как правило, крупные CMC изготавливаются из криостатически стабильных проводников, в которых даже при наличии развитой поверхности охлаждения коэффициенты заполнения собственно сверхпроводящим материалом не превышают нескольких процентов. Но это существенно снижает конструктивную плотность тока и приводит к укрупнению обмоток, росту их холодной массы, появлению в них больших свободных пространств и создает большие сложности по захолаживанию CMC. Отказ от криостатической стабилизации проводников позволяет существенно увеличить конструктивную плотность тока, что приводит к уменьшению габаритов, значительной экономии финансовых средств, упрощению условий эксплуатации, хотя это естественно повысит требования к системам защиты CMC. Поэтому исследования различных факторов, влияющих на работоспособность обмоток, з рамках этого подхода являются актуальными. В некоторых применениях будет весьма перспективна новая конструкция сверхпроводящей збмотки — геликоидальная [1 ]. Однако возможным ограничением их использования могут быть невысокая динамическая устойчивость и эолыпие потери, что делает весьма актуальным экспериментальное определение последних.

ОСНОВНЫЕ ЦЕЛИ ДИССЕРТАЦИИ

— исследование влияния способа охлаждения, размера поперечного ечения, конструктивных особенностей проводника, таких как наличие юлыпого переходного сопротивления между сверхпроводящей и стаби-[изирующей частями, параллельных проводов в гальванических силь-

ноточных проводниках для галетных CMC, на стабильность работы сверхпроводящих обмоток;

— исследование стабильности и потерь в обмотках нового типа — геликоидальных.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РЕЗУЛЬТАТОВ

Впервые с применением двух различных экспериментальных методик, а именно: короткий образец с точечным импульсным нагревателем и модельная однослойная обмотка с высоким уровнем механических напряжений от сил Лоренца, исследовано влияние на устойчивость сверхпроводящего состояния:

— способа охлаждения, включая газообразный гелий при 4,2 К, Hei при 4,2 К и при 2,2 К, Hell недогретый и насыщенный при 1,9—2 К;

— размера поперечного сечения проводника, у которого коэффициент тепловой диффузии (D() существенно меньше коэффициента магнитной диффузии (D ) (например, скрутка из изолированных проводов).

Впервые в стационарном и переменном режимах исследовано влияние большого переходного (теплового и электрического) сопротивления между сверхпроводящей и стабилизирующей частями йроводника на его стабильность.

Впервые исследовано влияние непосредственного охлаждения сильноточного гальванического проводника из параллельных отдельных сверхпроводящих проводов на работоспособность полномасштабной га-летной модельной обмотки (внутренний диаметр 300 мм), изготовленной по технологии отжиг—намотка.

Целенаправленно исследованы стабильность и электрические потери в модельной обмотке нового типа — геликоидальной.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

Результаты исследований могут быть использованы в практической деятельности по созданию CMC, для оптимального выбора конструкции проводника и обмотки, вида охлаждения в соответствии с режимом работы. Исследование динамической (термомагнитной) стабильности и электрических потерь в геликоидальной обмотке, кроме количественного их определения и влияния на работоспособность, позволили проверить теоретические представления о процессах, определяющих устойчивость сверхпроводников, поскольку сама геликоидальная обмотка фактически представляет собой массивный сверхпроводник.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Увеличение устойчивости сверхпроводящего состояния с ростом размера поперечного сечения проводника в случае г = £>г/.От« 1.

2. Практическое отсутствие влияния условий охлаждения на устойчивость к сильным возмущениям в области больших плотностей токов, близких к критическим.

3. Сильное влияние условий охлаждения на устойчивость в токовой области, близкой к границе стационарной стабильности.

4. Снижение устойчивости в стационарных условиях и повышение рабочих характеристик в переменных условиях, в частности в режиме 50 Гц, при введении переходного сопротивления между сверхпроводящей и стабилизирующей частями проводника, имеющими непосредственный контакт с хладагентом.

5. Существенное увеличение характеристик термомагнитной и кри-остатической стабильности проводника,' состоящего из гальванически срощенных параллельных проводов, в полномасштабной модельной обмотке (01 = 300 мм), при непосредственном охлаждении проводника

через межвитковые каналы.

6. Результаты расчетных и экспериментальных исследований устойчивости к тепловым возмущениям, электрических потерь и динамической (термомагнитной) стабильности обмотки нового типа — геликоидальной.

Апробация работы. Основные результаты доложены на: Всесоюзн. семинаре по техн. сверхпр. в ИАЭ им. И.В. Курчатова в 1981 г., на II Всесоюзной конференции по техническому использованию сверхпроводников (г. Ленинград) в 1983 г., на 12-й Международной конференции по криогенной технике (Англия, г. Саутгемптон) в 1988 г.

Публикации. Результаты исследований, изложенных в диссертации, опубликованы в 12 работах и защищены пятью авторскими свидетельствами.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, а также положения, выдвигаемые на защиту.

Первая глава посвящена обзору работ по проблеме стабильности сверхпроводников и обмоток, т.е. их способности сохранять сверхпроводящее состояние после действия различных возмущений. В сверхпроводящих обмотках за счет сил Лоренца в проводнике достигаются высокие уровни механических напряжений, которые вызывают различного рода возмущения, например, растрескивание связующего эпоксидного материала, и ведут к локальным импульсным тепловыделениям, влияющим на проводник. Попытки непосредственного исследования механических возмущений [2 ] не привели к точному определению их «спектра». Результаты, как правило, дают лишь порядок величины, поскольку заранее предсказать координаты возмущения невозможно.

Более реалистичными представляются исследования стабильности с помощью непосредственного моделирования возмущений. При этом становятся возможными проверка различных математических моделей [3 ], а также непосредственное исследование влияния различных факторов на стабильность, например, условий охлаждения проводников и обмоток [4 ]. Представляемая работа является комплексом исследований, выполненных в рамках этого направления.

Во второй главе представлены результаты исследования влияния на стабильность размера поперечного сечения проводника, у которого в поперечном направлении коэффициент магнитной диффузии существенно больше, чем тепловой (ток перераспределяется быстрее температуры) . Типичным примером такого проводника являются скрутки из изолированных или с высокоомным покрытием сверхпроводящих проводов. Использование двух различных экспериментальных методик, а именно : короткий образец с импульсным нагревателем и однослойная обмотка во внешнем магнитном поле с высоким уровнем механических напряжений из-за сил Лоренца, гарантирующим естественную генерацию тепловых возмущений механического происхождения, позволяет провести детальное исследование. В случае, когда ток распределяется по сечению гораздо быстрее температуры (в модели г = Ит «1) основным фактором стабильности является возможность быстрого перераспределения тока по сечению проводника. Короткий образец представлял собой одноповивную структуру из 9 ИЬ-Тл многожильных проводов с медной матрицей 0 0,5 мм, намотанных на тонкую изолированную ленту из нержавеющей стали и затем проклеенных. На каждом проводе размещался точечный нагреватель. Отключением попарно крайних проводов можно было менять количество электрически включенных в образце проводов (IV) и соответственно размер поперечного сечения в соотношении 9:7:5:3:1. Токонесущая способность образца (г)

определялась как отношение тока перехода в нормальное состояние от, импульса тепла к критическому. Исследовались зависимость г с разным N от энергии возмущений, места их приложения. На рис. 1 представлен график зависимости г с разным N (цифры на экспериментальных кривых) от параметра д, равного отношению энергии возмущения, приходящейся на одни включенный провод к энергии, необходимой для нагрева до критической температуры части образца, захватываемой возмущением. На этом же графике нанесены расчетные кривые ¿(с/), полученные из простой теоретической модели и которые различаются для разных N лишь в пределах толщины кривых. Модель представляет проводник как бесконечную пластину с существенно большей теплопроводностью в продольном направлении (Я^) чем в поперечном <Яу). Она также позволяет при условии т « 1 (ток «следит» за температурой) свести рассмотрение действия возмущения, моделируемого ¿-функцией координат и времени (/ = 0), к решению уравнений теплопроводности в двух крайних случаях: адиабатических условий (левых коридор на рис. 1) и идеального теплоотвода с поверхностей пластины (правый). При этом I = гтп(/с(г < 0)//с(г > 0)), где IС{1 > 0)) — критический ток во время развития возмущения, < 0) — до возмущения. На рис. 2а представлен график «относительного размерного эффекта», т.е. зависимости ¿(М) при фиксированном <?, который пропорционален энергии, отнесенной к одному включенному проводу. Как эксперимент, так

Рис. 1. Зависимость токонесущей способности образца с различным количеством проводов от относительной энергии тепловых возмущений

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

"О

N

Я =0.5 ?= 1.0

ч-г

<7 = 5 9 = 10

а.

10

дЛ/ - 80

О

ю

Рис. 2. Зависимость токонесущей способности от количества включенных проводов: а — пр1 фиксированной относительной энергии возмущейий б — при фиксированной энергш возмущений дЫ

N от 5 до 9. Существование его в области от 1 до 5 (эксперимент) объясняется нарушением условия точечности возмущения, поскольку нагреватель «чувствует» и соседние с центральным провода. «Абсолютный размерный эффект» (рис. 26), т.е. рост i с увеличением N при фиксированной энергии возмущений (qN) существует. Этот эффект означает, что с ростом размера поперечного сечения предельный транспортный ток при наличии фиксированных возмущений растет быстрее критического. В применении к обмоткам, при слабой связи размера проводника с энергией механических возмущений в обмотке это означает уменьшение степени деградации с ростом размеров проводника в модели т<< 1. Для проверки результатов, полученных на коротком образце, изучался процесс тренировки модельной обмотки. Однослойная обмотка 0 170 мм и длиной 200 мм была намотана в 4 захода изолированным проводом, близким по свойствам к использованному в коротком образце. Общее число витков 300, суммарная длина провода 160 м. Посредством различного электрического соединения отдельных кусков (от всех последовательно до всех параллельно) можно было имитировать изменение размера поперечного сечения проводника в отношении 1:2:4 при прочих равных условиях. Для большей корректности экспериментов было изготовлено 3 идентичных обмотки с различным соединением. Изучался процесс тренировки обмотки во внешнем поле индукцией 5 Тл. По длительности тренировки и граничным значениям тока можно судить о влиянии размера сечения проводника (количества включенных проводов) на стабильность обмотки в модели г « 1. На рис. 3 представлена картина тренировки 3-х обмоток с разным количеством включенных проводов (1, 2, 4). По оси ординат отложен ток перехода в пересчете на один провод, по оси абсцисс номер ввода. Видно, что увеличение размера проводника приводит к росту достигаемых плотностей тока, т.е. к уменьшению деградации, а также к сокращению шагов тренировки. Это говорит об увеличении стабильности обмотки с ростом размера поперечного сечения (количества проводов) за счет большей возможности перераспределения тока между пораженным возмущением проводом и ос-

Рис. 3. Зависимость тока перехода обмотки, отнесенного к количеству проводов токонесущего элемента, при разном количестве проводов в нем

тальными, несмотря на достаточно большую длину (40 м для 4-х проводом и 80 м — для 2-х).

В третьей главе представлены результаты исследования влияния условий охлаждения, в том числе и сверхтекучим гелием на стабильность также посредством двух экспериментальных методик. Идея использования в качестве хладагента для CMC Hell [5], обладающего аномально высокой теплопроводностью, казалось, делает возможной диссипацию возмущений в обмотке в большом объеме. Сравнение характеристик стационарного теплопереноса (коэффициент теплоотдачи, критический тепловой поток) показывает, что в Hell они выше в 2—5 раз по отношению к Hei [6, 7 ]. Аналогичное сравнение для нестационарного теплообмена, где основной характеристикой является энергия, снимаемая с единицы поверхности до начала пленочного кипения при данном тепловом' потоке, показывает, что, например, для q = 5 Вт/см2 Hell лучше Hei в 40—70 раз (данные разных авторов). Короткий обрл ец представлял собой облуженный многожильный ниобий-титановый провод в медной матрице 0 0,5 мм и длиной 700 мм, намотанный бифилярно на текстолитовую катушку и контактирующий с хладагентом на половине периметра. На рис. 4 представлена зависимость критической энергии возмущений, моделируемых точечным нагревателем, от тока при различном состоянии хладагента — Hei при ; 2 К; Hell насыщенный и недогретый при 1 ата и Т = 2,05 К. Видно, в области токов, близких к критическим, критические (переводящие) энергии примерно одинаковы. Этот результат противоречит представленному выше сравнению Hei и Hell. Поведение образца, охлаждаемого насыщенным и недогретым Hell отличает только тем, что в последнем образец обладает более широ-^ кой областью стационарной стабильно- I сти по току. Объяснение факта пример- ^ ного равенства критических энергий ^ для образца в Hei и в Hell след у с с-кать в более тщательном рассмотрении процессов нестационарного теплопереноса в гелий. Эти процессы определяются режимом проводимости Капицы, в котором разность температур между нагретым телом и гелием обратно пропорциональна третьей степени температуры последнего. Поэтому, если в Hei при 4,2 К этот перепад составляет

Рис. 4. Зависимость критической энергии возмущений от транспортного тока в образце: © — насыщенный Hei, 1 ата; О — насыщенный Hell, 27 Topp, 2,05 К; в — недогретый Hell, 1 ата, 2,05 К

десятые доли Кельвина [7 ], то в Hell он возрастает до 1 К и больше [8 ]. Отсюда ясно, что в Hei в режиме нестационарного теплопереноса. тепло от возмущения снимается с образца, когда он остается в сверхпроводящем состоянии, а в Hell при перегревах (1 -s-2 К) часть образца, захватываемая возмущением, переходит в нормальное состояние. Это резко увеличивает тепловой поток с поверхности за счет джоулевой генерации и такая поправка существенно сближает в оценках критические энергии возмущений, что и показал эксперимент. Полученные на коротком образце результаты были подтверждены на экспериментах с модельной однослойной обмоткой (0 170 мм, длина 200 мм, 330 витков, провод 0 0,5 мм, общей длиной 175 м). Обмотка помещалась во внешнее магнитное поле 5 Тл. Направление транспортного тока соответствовало суммированию внешнего и собственного полей. Опыты проводились при следующих состояниях хладагента: газообразный при 4,2 К, насыщенный Hei при 4,2 К, при 2,2 К (40 Topp), насыщенный Hell при 1,9—2,0 К (17—25 Topp), недогретый Hell при 1,9—2 К (770 Topp). Для определения влияния изоляции в одном из опытов с наружной стороны обмотки она была осторожно удалена (30% периметра провода). На рис. 5 представлена история тренировки обмотки при разных способах охлаждения. При 4,2 К обмотка выходила на ток короткого образца даже в газообразном Не за существенно большее число шагов тренировки (45). До-

200

150

<

100

50

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 N

Рис. 5. Зависимость тока перехода обмотки при различных условиях охлаждения от номера ввода

N Phase State ПК) P(torr)

1 Не gas 4.2 770

2 Hei sat. 4.2 770

3 Hei sat. ZZ 40

4 НеП sat го 25

5 НеП pressure 2.0 770

6 НеП pressur. without insulot. 2.0 770

стигнутому току с учетом небольшого собственного поля обмотки (1,75- Ю-3 Тл/А) соответствует весьма высокое растягивающее напряжение 430 МПа (разрывное напряжение при 4,2 К 1100 МПа). Необходимо заметить, что в главе 2 описаны эксперименты, где та же обмотка только с количеством витков меньше на 10 %, не достигла тока короткого образца и за 170 шагов. Такое различие объясняется тем, что тренировка таких обмоток обусловлена осевой составляющей силы Лоренца и, следовательно, сильно зависит от плотности намотки.

При более низких температурах независимо от состояния хладагента предельные токи обмотки составили ~ 220 А, что соответствует растягивающему напряжению 530 МПа. Токи короткого образца при таких температурах: 285 А при 2,2 К и 300 А при 1,9 К. Такая деградация вызвана наличием сильных возмущений механической природы. Действительно, в одном из опытов в Hell при изменении направления тока на противоположное, когда обмотка прижимается к каркасу, критический ток был достигнут сразу без тренировки. Из рисунка 5 видно также положительное влияние слоя изоляции на процесс тренировки, особенно на ее начало. Также на начало и количество шагов тренировки положительно влияет охлаждение Hell, что согласуется с опытами на коротком образце, поскольку в этой области токов охлаждение существенно влияет на стабильность.

В четвертой главе описаны результаты исследования влияние на Стабильность конструктивных особенностей проводника, таких как наличие большого переходного сопротивления между сверхпроводящей и стабилизирующей частями и наличие в составе проводника параллельных сверхпроводящих проводов. Искусственное введение переходного сопротивления между сверхпроводящей и стабилизирующей частями впервые было предложено в работе [9 ], где под сверхпроводящей частью подразумевается композит с большим коэффициентом заполнения сверхпроводящим материалом. Некоторые обсуждаемые конструкции проводников для магнитных систем установок термоядерного синтеза содержат такое переходное сопротивление, введенное с целью снижения потерь в переменных магнитных полях. Для исследования влияния переходного сопротивления на стабильность было изготовлено два эквивалентных образца, отличавшихся только величиной этого сопротивления между сверхпроводящей и стабилизирующей компонентами. Образцы состояли из трех частей: сверхпроводящей s (многожильный провод из Nb— Ti в медной матрице 0 0,7 мм), стабилизирующей п (медная полоска 3x0,7 мм2) и переходного сопротивления t (бронзовая полоска 1 х0,7 мм2). Далее по расположению частей образец с переходным со-

противлением будем называть бШ, а без него яШ. Длина образцов составляла 280 мм, в центральной их части на сверхпроводник и стабилизатор были наклеены точечные нагреватели. Образцы в большом диапазоне полей являются частично стабилизованными к пленочному режиму кипения.

В образце было обнаружено существование стационарных нормальных участков (СНУ) с длиной ядра —15 мм. В полях В > 4 Тл в режиме деления тока СНУ могут возникать спонтанно, при этом воль-тамперная характеристика (ВАХ) носит ступенчатый характер с участками линейного нарастания напряжения и резкими скачками, вызванными появлением очередного СНУ. На рис. 6 представлена типичная ВАХ образца бШ, где буквами обозначены моменты появления СНУ, а буквами со штрихами моменты их исчезновения при выводе тока. В области токов меньше критического СНУ могут возникать только в результате импульсов тепла, причем чем последние сильнее, тем больше появляется СНУ. Они располагаются достаточно равномерно по длине образца, тяготея в первую очередь к местам расположения нагревателей, закрывающих небольшую часть теплоотдающей поверхности. При определенном токе больше критического или после очень сильного теплового импульса СНУ сливаются заполняя весь образец. Интересной особенностью такого состояния является неоднородное периодическое распределение потенциала на сверхпроводнике по длине образца. В кон-

Рис. 6. Вольтамперная характеристика образца с переходным сопротиапением (бШ) , В = 6 Тл

200 а

трольных измерениях в газообразном гелии при 4,2 К СНУ не возникали. Исследованные свойства СНУ говорят о том, что разделение сверхпроводника и стабилизатора в тепловом отношении при непосредственном контакте с хладагентом приводит к возможности существования нормальной зоны на сверхпроводнике в режиме деления тока только на локальном участке, когда к собственной джоулевой генерации тепла добавляются потери на переходном элект-

рическом сопротивлении при перетекании р ^ | тока из сверхпроводника в стабилизатор с> и обратно. Другими словами роль стационарного нагревателя играют потери на переходном электрическом сопротивлении. Устойчивость образцов к тепловым возмущениям исследовалась с помощью нагревателей, расположенных на сверхпроводнике и стабилизаторе. На рис. 7 приведены графики зависимости энергии теплового импульса, переводящего образец в нормальное состояние от тока. Сравнение образцов бШ и яМ демонстрирует значительно меньшую устойчивость первого к возмущениям на сверхпроводнике.

В переменном режиме исследовались скоростная зависимость величины тока, при которой в образце достигается определенный уровень электрического поля (например, 1 мкВ/см), а также зависимость аналогичной величины от индукции поля в режиме 50 Гц. В полях Б > 8 Тл эта скоростная зависимость образца бШ носит необычный возрастающий характер с выходом на насыщение (рис. 8а), кроме того, эти токи у образца эШ значительно выше по сравнению с бШ. В полях В < 7 Тл (рис. 86) характер зависимости меняется на обычный, и образцы практически не отличаются друг от друга. На рис. 9 представлена зависимость величины тока достижения в образце уровня 1 мкВ/см от магнитного поля в режиме 50 Гц. Здесь образец бШ обладает значительно более высокой токоне-•сущей способностью, хотя в этом режиме она весьма мала.

б

в-TT

I

_.

г

*--------

i_i_

25 50

/.А."1

Рис. 8: Зависимость тока, пои котооом в образцах stn(l) и snt(2) достигается электрическое поле Е=10"^ В/см от скорости ввода

Рис. 7. Зависимость критической энергии возмущений от тока в образцах, В = 2 Тл, нагреватель на сверхпроводнике: 1 — йп, 2 — яИ. Нагреватель на стабилизаторе: 3 — БШ; 4 — БШ

В модели Стекли получен и экспериментально проверен критерий тепловой стабильности сверхпроводников с пере-„, . . ходным тепловым сопротивлением при

учете непосредственного контакта с хладагентом сверхпроводящей и стабилизирующей частей. Показано, что образец эШ полностью стабилен в полях В > 6,5 Тл, а образец яШ при В > 9 Тл.

Одним из способов получения сильно-

„ „ „ 3 4 5 6 7 8 точных проводников являются гальвани-Рис. 9. Зависимость критическо- г

го тока ОТ магнитного поля в ре- ческое сращивание в монолит параллель-жиме 50 Гц: 1 —ят, 2 — бш ных сверхпроводящих проводов. Известно

[10 ], что в обмотках, изготовленных из таких проводников возникают нежелательные диамагнитные явления в торцевых частях обмотки, связанные с экранированием радиальной составляющей собственного магнитного поля, перпендикулярной широкой стороне проводника.

Для исследования влияния непосредственного охлаждения проводника на работоспособность обмотки был изготовлен гальванический проводник (12x2мм2), состоящий из параллельных — 1-го медного и 9 ниобий-оловянных многожильных проводов 0 1 мм, которые предварительно были отожжены в бухтах большого диаметра — 1 м. Из него была намотана галетная обмотка внутренним 0 300 мм, внешним 0 445 мм, длиной 230 мм, содержащая 324 витка. В половине галет межвитковая изоляция содержала каналы для прохода хладагента. В другой половине изоляция была сплошной, без каналов. На торцевые поверхности крайних галет без каналов гелий мог проникать только через отверстия в стягивающий фланцах. Галеты с разными типами изоляции испытывались как по отдельности, так и совместно, как в собственном, так и во внешнем поле соленоида с внутренним отверстием 0 520 мм. Ввод тока сопровождался скачками магнитного потока в крайних галетах. На рис. 10 показано начало ВАХ обмотки при совместном испытании галет с разными типами изоляции. Выбросы напряжения на ВЛХ соответствуют потере устойчивости экранирующим контуром в проводнике крайней галеты без каналов. Раздельные испытания галет с рвзными типами межвитковой изоляции показали, что галеты с каналами при / < 15 А/с выходят на ток короткого образца в центральной галете /с= 4560 А, Ятах= 4,9 Тл). Галеты без каналов даже при / = 1,5 А/с демонстрируют большую степень деградации, обусловленную переходами в нормальное состояние крайних галет из-за скачков потока (/?= 3400А при Яшах= 3,6Тл, где /с= 5340А). Рас-

А

пространение возникшем при скачке нормальной зоны в крайней галете начинается только в том случае, когда транспортный ток превышает минимальный ток распространения нормальной зоны, ] .

При периодически возникающих скачках по токам перехода можно определить эту важнейшую характеристику стабильности обмотки: для галет без каналов

/р(3,4 Тл) = (2410 ±60) А; с каналами /р(3,2 Тл) = (3530 ± 70) А. Критические токи короткого образна в этих полях / = (5960 - 6010) А.

Сравнение характеристик динамической стабильности, галет без каналов и с каналами т.е. зависимостей А5ДВ±), где АД/— поле скачка,

Вх — скорость роста радиальной составляющей, представлено на рис. 11. В простом модельном

Рис. 10. ВАХ модельного магнита при совместном испытании галет с каналами и без них при ]= 15 А/с

представлении проводника в крайней галете бесконечной пластиной в возрастающем магнитном поле, параллельном ее сторонам, проведено сравнение экспериментальной зависимости на рис. 11 для галет с каналами с критериями динамической (термомагнитной) стабильности сверхпроводников с учетом размытости их ВАХ [11, 12]. Полученное аналитическое выражение из [ 11 ] в модели критического состояния (МКС) Кима—Андерсена Цс =ссс/В +В\ где«., В* —

постоянные, / — плотность

критического тока, а В —

дв., Тл 1,5

1,0

0,5

0,005

0,01 В, Тл/с

Рис. 11. Зависимость перепада поля при скачке от скорости изменения радиальной составляющей поля в крайней галете £тах = 2,5 Тл: 1 — галеты без каналов; 2 — галеты с каналами

2

индукция поля) выглядит так:

Наскр]О

1

АВ ?

1 +

В + В

АВ;

д ] с,

I а т I

где /г — коэффициент теплоотдачи, Р — периметр охлаждения, Ь — толщина проводника, Т — температура, — параметр нарастания, по плотности тока, характеризующий степень размытости ВАХ, записанной в экспоненциальной форме.

Критерий динамической стабильности проводника с учетом теплоемкости [12] записывается следующим образом:

1/2

А В.= 1

2\

¿2,0811?,^ '"о 26

В± Ъ

А Т

1/2

(2)

где С — теплоемкость, (1 — ширина проводника, <5 — глубина проникновения магнитного поля, ДТ£ — разность критической и температуры

хладагента. Комплекс ИР был оценен через параметр Стекли и его связь с I . Сравнение эксперимента и расчета для галет с каналами приведено

на рис. 12, причем расчет сделан для двух случаев: первый — все каналы заполнены жидким гелием, второй — в галете существуют глухие каналы, заполненные газом, который окружает ходя бы один виток. Видно,

что только с учетом существования глухих каналов с газом в испытуемых галетах можно получить хотя бы качественное совпадение расчета и эксперимента. Наличие таких каналов значительно снижает динамическую стабильность проводника в крайних галетах, а следова-_ тельно и работоспособность обмотки в це-3' лом. Меры по их недопущению приводят к снижению конструктивности плотности тока из-за увеличения толщины межга-летных прокладок с радиальными каналами для выхода газа.

В пятой главе представлены результаты исследования стабильности и электрических потерь, определяющих работоспособность сверхпроводящего геликоида с плоскими витками (рис. 13), который является новым типом сверхпроводящей

0.001 0.010 0.100 1.000 В ,Т/с

Рис. 12. Расчетные и экспериментальная (о) зависимости перепада поля при скачке от скорости изменения поля, В = 2,5 Тл, галеты с каналами: 1 — интегральный критерий Минца-Рахманова [ 11 ]; 2— критерий Клименко-Мартовецко-го с учетом теплоемкости [ 12]; 3 — адиабатический критерий; 4 — интегральный критерий (1) с учетом наличия газа в глухих каналах

обмотки, впервые предложенного в работе [1 ]. Геликоид обладает рядом преимуществ по сравнению с обычными обмотками: естественной оптимизацией по плотности тока, который распределяется по сечению геликоида в соответствии с «моделью критического состояния»; высокой механической жесткостью, т,к, силы Лоренца воспринимаются всем плоским витком; возможностью использования нетрадиционных сверхпроводящих материалов. Однако геликоидам присущи два существенных недостатка — низкая динамическая (термомагнитная) устойчивость и большой уровень гистерезисных потерь. В экспериментах использовался геликоид с 71 плоским витком внутренним диаметром 24 мм и наружным 59 мм. Каждый виток состоял из 16 сверхпроводящих, ниобий- титановых, многожильных и из 16 медных проводов 0 0,5 мм, чередующихся между собой и спаянных в ряд. Геликоид был помещен в цилиндрическую камеру с медными стенками толщиной 1,5 мм. Камера соединялась длинным тонким капилляром с газгольдером и была снабжена вентилем, через который могла заполняться гелием из криостата. Использование камеры позволило калориметрическим способом измерить потери и провести исследование динамической стабильности при разных состояниях хладагента. В первой серии экспериментов изучалась устойчивость геликоида к сильным тепловым возмущениям. Для этого в обмотке в разных местах были расположены точечные, а также протяженный нагреватели. Выяснено, что на устойчивость геликоида к возмущениям слабо влияют размеры возмущений; сильно влияют место приложения (например, на внутреннем радиусе или в центре витка) и уровень электрического поля (скорость ввода тока). Эти эффекты объясняются малостью критических перегревов (расстояние до критической температуры), что обусловлено критическим состоянием большей части обмотки, в которой протекает ток с плотностью близкой к критической (/ = . «Расплы-вание профиля критического состояния», т.е. расплывание профиля магнитного поля в обмотке из-за заполнения током незанятой области плоского витка, является причиной зависимости критической энергии возмущений от времени после остановки ввода тока. С течением времени эти энергии возрастают, поскольку в области протекания снижаются значения локальной плотности тока и соответственно растут критические перегревы.

Рис. 13. Сверхпроводящий геликоид с плоскими витками

На рис. 14 сопоставляются зависимости плотности критической энергии возмущений от плотности тока для протяженного ("бесконечного") и точечного, расположенного в центре обмотки геликоида, нагревателей, а также для точечного нагревателя на одиночном проводе, у которого охлаждается гелием половина периметра.

Стрелкой показано увеличение критической энергии при «расплывании критического состояния» в течение 20 мин. Несмотря на крайне низкие критические запасы по температуре у геликоида из-за высокой, практически критической плотности тока, ослабление устойчивости к локальным возмущениям компенсируется более высокой объемной теплоемкостью (= в 3 раза выше) за счет свинца в припое и возможностью двумерного распространения тепла. Эти эксперименты позволяют также определить

область стационарной стабильности геликоида — j < 1 • Ю7 А/м2. Легко показать, что условия полной стабильности слабо зависят от размеров геликоида.

В следующей серии экспериментов исследовалось влияние условий охлаждения на динамическую стабильность геликоида. На рис. 15 при-

П С ОСХОД3

ведено сравнение зависимости тока в нормальное состояние геликоида, вызванного скачком потока, от скорости ввода тока при различных состояниях хладагента. Существование весьма узкой области практической независимости тока перехода от скорости при скоростях / < 9 А/с (В < 1,1 • Ю-2 Тл/с) при 4,2 К означает, что в геликоиде «критическое состояние» достигнуто во всем поперечном сечении. Необходимо заметить, что с ростом размеров геликоида эта скорость должна уменьшаться. Улучшение динамической стабильности в Hell обусловлено способностью пленки сверхтекучей компоненты проникать в толщу плотно сжатой обмотки геликоида, тем самым увеличивая поверхность

j .10"*, А/м*

Рис. 14. Зависимость плотности критической энергии возмущений от плотности тока для различных нагревателей (¿//Л = 9 А/с): я — «бесконечный» нагреватель;© — точечный нагреватель 1 — точечный нагреватель на охлаждаемом одиночном композитном сверхпроводящем МЬ—14 проводе 0 0,5 мм в поле В = 6 Тл

охлаждения. Снижение устойчивости в недогре-том Hei при 2,2 К по сравнению с насыщенным связано с другим механизмом теплопереноса при малых перегревах. В недогретом гелии это однофазная конвекция с более низким коэффициентом теплоотдачи, чем в режиме пузырькового кипения для насыщенного гелия.

Электрические потери определялись измерением объема испарившегося газа из камеры с помощью мерного газгольдера.

Следя за изменением мощности потерь со временем после остановки

< *

Не II

100

200 dJ/dt, А/с

300

Рис. 15. Зависимость тока перехода в нормальное состояние, вызванного скачком потока, от скорости за-питки при различных состояниях хладагента: >с — 4,2 К; Л — 2,2 К недогретый при 1 ата; О — 2,2 К насыщенный; Д — 2,13 недогретый при 1 ата; ф — 2,13 К насыщенный

легко установить характерные времена «расплывания». Они составили — 1500 с. Рис. 16 демонстрирует сравнение удельных потерь для геликоида и одиночных проводов, из которых он состоит, в изменяющемся магнитном поле [13].

В простом модельном представлении геликоида изотропным бесконечным полым цилиндром в МКС Кима-Андерсена получены аналитические выражения для потерь и границы динамической стабильности:

| 2

0 =

л 1гхв*

В*

3 В 18 /¿0а£г

+

13

в0в

в

15 /г0асг j

+

о

3 rlHac

(3)

В <

2А70«0ас

4-41/

>г +г 4 Ч ^ 2

(4)

где г1 — внутренний радиус геликоида, г2 — внешний, 1 — длина геликоида, В — достигаемое в геликоиде поле, / — фактор порядка 1, Т0,— параметр нарастания с температурой, который представляет собой

/

Рис. 17. Зависимость электрических потерь от тока в геликоиде: — расчет; + —эксперимент

'.* too . 300

J. А/с

Рис. 18. Зависимость тока перехода в нормальное состояние, вызванного скачком потока от скорости ввода тока; — расчет; О — эксперимент

8. Тл

Рис. 16. Зависимость удельных к сверхпроводнику электрических потерь от индукции поля для геликоида (6) и одиночного провода при В = 0,18Тл/с (•+-) и В — 0 (© )

характерный перегрев геликоида при скачке магнитного потока и также характеризует размытость ВАХ как jQ. Из измерений потерь в динамическом режиме (во время запитки) и динамической стабильности легко извлечь важную характеристику стабильности — тепловой поток с поверхности геликоида в момент возникновения скачкор q* = (150 ± 10) Вт/м2, который как раз и представляет собой произведение теплоотдачи на перегрев, т.е. q* = hTQ. Поэтому при сравнении расчета и эксперимента, это значение необходимо использовать в выражении (4).

На рис. 17 представлено сравнение экспериментальной и расчетной (3) зависимостей электрических потерь от тока в геликоиде. Расхождение можно отнести за счет неучета моделью краевых эффектов экранирования обратного поля в геликоиде и небольшого «расплывания» в режиме запитки (в работе эти эффекты оцениваются количественно). На рис. 18 представлено аналогичное сравнение для границы динамической стабильности (4). Видно хорошее совпадение, за исключением области высоких скоростей запитки, где необходимо учитывать теплоемкость сверхпроводника.

В главе 5 также рассмотрено влияние секционирования обмотки геликоида на потери и устойчивость.

19

А

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Обнаружено увеличение токонесущей способности короткого образца с импульсным нагревателем при фиксированной энергии возмущений и уменьшение деградации модельной обмотки, подверженной высоким растягивающим напряжениям с ростом размера поперечного сечения, свидетельствующие об увеличении стабильности, в модели, где ток перераспределяется существенно быстрей тепла (r = Dt/Dm«l).

2. Обнаружено практическое отсутствие влияния условий охлаждения на устойчивость в области плотностей токов, близких к критическим, которое отразилось в примерно одинаковых критических энергиях возмущений для короткого образца с импульсным нагревателем в Hei и в Hell, и, соответственно, в одном и том же предельно достижимом токе однослойной обмотки с высоким уровнем механических напряжений (~ 500 МПа) при разных способах охлаждения (Hei и газообразный гелий при 4,2 К; Hell при 2 К и Hei при 2,2 К).

3. Наблюдалось сильное влияние условий охлаждения на стабильность в области токов близкой к границе стационарной стабильности, приводящее для разных состояний хладагента к различным значениям минимального тока распространения нормальной зоны в коротком образце, и токов начала тренировки модельной однослойной обмотки.

4. Введение переходного сопротивления между сверхпроводящей и стабилизирующей частями проводника при непосредственном контакте их с хладагентом снижает стабильность в стационарных условиях (возникновение стационарных нормальных участков, низкие критические энергии возмущений, ухудшение критерия стационарной стабильности) и повышает работоспособность в переменных условиях, в частности, в режиме 50 Гц.

5. Обнаружено существенное увеличение характеристик термомагнитной и криостатической стабильности обмотки из проводника с гальванически срощенными параллельными проводами при непосредственном охлаждении проводника в обмотке через межвитковые каналы, хотя наличие глухих каналов с газом в галетах ограничивают это увеличение.

6. В работе расчетным и экспериментальным путем исследованы динамическая и криостатическая стабильность, электрические потери в обмотке нового типа — геликоидальной. Выяснено, что плотности тока j < 7 • 107 А/м2 обеспечивают ее стационарную стабильность, а скорости запитки В < Ю-2 Тл/с — достижение критического состояния испытуемой обмотки. Из измерений потерь найдены характерные величины: время «расплывания» критического состояния в обмотке (1500 с) и

«критический» (в момент возникновения скачка) тепловой поток д* — (150 ± 10) Вт/м2. Показана предсказуемость поведения обмотки из простой теоретической модели, позволяющей получить аналитические выражения для потерь и границы динамической стабильности.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Keilin V.E., Kruglov S.L., Lelekhov S.A. The investigation of size effect in superconducting current earring elements. Cryogenics, 1979, № 1, p. 27—30.

2. Keilin V.E., Kovalev I.A., Kruglov S.L., Pavin D.B. Superconductor stability against heat pulses in saturated and pressurized superfluid helium. Cryogenics, 1980, № 12, p. 694—696.

3. Кейлин B.E., Ковалев И.А., Круглов СЛ. Тренировка и деградация модельной сверхпроводящей обмотки в зависимости от условий охлаждения. Препринт ИАЭ-3509/10, 1981 г., 8 стр.

4. Keilin V.E., Kruglov S.L. Experimental investigation of-composite superconductors with high transverse electrical and thermal resistances. Cryogenics, 1984, № 10, p. 525—530.

5. Keilin V.E., Kovalev I.A., Kruglov S.L. Training and degradation of a model superconducting winding depending on cooling conditions and conductor cross-section. Cryogenics, 1985, v. 25, № 5, p. 257—260.

6. Кейлин В.E., Ковалев И.А., Круглов СЛ., Лавров Н.А. Экспериментальное исследование сверхпроводящего соленоида из токонесущего элемента с параллельными проводами. Препринт ИАЭ-4346/10, 1986, 12 стр.

7. Кейлин В.Е., Ковалев И.А., Круглов СЛ., Павин Д.Б. Сверхпроводящий геликоид — альтернатива обычным сверхпроводящим обмоткам. ДАН СССР, 1988, т. 303, № 6, стр. 1366—1370.

8. Keilin V.E., Kovalev I.A., Kruglov S.L., Pavin D.B. Study of superconducting heliciod stability. Proc. of the Twelth Int. Cryog. Eng. Conference. Southampton, UK, 12—15 July 1988, p. 845—851.

9. Кейлин B.E., Ковалев И.А., Круглов СЛ., Павин Д.Б. Исследование стабильности и электрических потерь в сверхпроводящем геликоиде. Препринт ИАЭ-4881/10, 1989 г., 47 стр.

10. Круглов СЛ. Влияние секционирования на динамическую стабильность и электрические потери в сверхпроводящих геликоидах. Препринт ИАЭ-4971/10, 1989, 12 стр.

11. Кейлин В.Е., Круглов СЛ. Изобретение. Сверхпроводник для работы в переменном режиме. А.с. СССР № 1123486.

12. Кейлин В.Е., Ковалев И.А., Круглов СЛ., Павин Д.Б., Разживин Н.В. Изобретение. Способ изготовления сверхпроводящей обмотки. А.с. СССР № 1325587.

13. Кейлин В.Е., Ковалев И.А., Круглов C.JI. и др. Изобретение. Сверхпроводящее магнитное устройство. А.с. СССР № 1470120.

14. Keilin V.E., Kovalev I.A., Kopeikin N.F., Kruglov S.L., Pavin D.B. An approach to the concept of large size and complex geometry superconducting helicoids. JCEC13 Proceedings, Cryogenics 1990, vol. 30, September Supplement, p. 620—624.

15. Keilin V.E., Kovalev I.A., Kopeikin N.F., Kruglov S.L., Pavin D.B. Plane — Turns Superconducting Magnets: Option for Fusion. Journal

of Fusion Energy, v, 11. л'/, / -

■ * t

16. Большаков В.И., Ковалев И.А., Копейкин Н.Ф., Круглов C.JI., Павин Д.Б. Сверхпроводящее магнитное устройство./А * СССр

/V i7'/2g-7f.

17 Большаков В.И., Ковалев И.А., Копейкин Н.Ф., Круглов C.JI., Павин Д.Б. Сверхпроводящее магнитное устройство. Положительное решение по заявке № 4935640/07 от 03.01.92.

Список цитируемой литературы

1. Кейлин В.Е., Ковалев И.А., Круглов C.JI., Павин Д.Б. Сверхпроводящий геликоид — альтернатива обычным сверхпроводящим обмоткам. ДАН СССР, 1988, т. 303, № 6, стр. 1366—1370.

2. Maeda Н., Jwasa J. Heat generation from epoxy cracks and bond failures. Cryogenics, 1982, № 9, p. 473—476.

3. Schmidt K.P. Cryogenics, 1978, v. 18, № 10, p. 605—610.

4. Turowski K.P. The stability behaviour of a Cu-stabilized Nb—Ti multifilamentary conductor under different cooling conditions. Cryogenics, 1984, № 11, p.

5. Bon Mardion G. et al. Superfluid helium bath for supercond magnets. Proc. of 6 Int. Cryog. Eng. Conf. Grenoble 1977, p. 159—162.

6. Кириченко Ю.А., Русанов К.В. Теплообмен в Не1 в условиях свободного движения. Киев: Наукова Думка, 1983, стр. 62—63.

7. Аметистов Е.В., Григорьев В.А. Теплообмен с Hell. Москва: Энер-гоиздат, 1986, стр. 29.

8. Данильченко Б.А. и др. О процессах нестационарной передачи больших импульсов тепла пленочным нагревателем сверхтекучему гелию.

9. Кейлин В.Е. Ожогина В.К. О влиянии переходных электрического и теплового сопротивлений на стабильность токонесущих элементов для сверхпроводящих магнитных систем. Труды I Всесоюзн. Конф. по Техн. Использ. Сверхпр. Алушта, 1975, т. 4, стр 10—16.

10. Кейлин В.Е. и др. Стабилизированный сильноточный ниобий-оловянный соленоид. Тр. Всесоюзн. Конф. по Инж. Пробл. Термояд. Реакт. JL, 1977, т. 1, стр. 179—187.

11. Mints R.G., Rakkmanov A.I. Current voltage characteristics and superconducting state stability in composites. — J. Phys., D., 1982, v. 16, p. 103—109.

12. Клименко Е.Ю., Мартовецкий H.H., Новиков С.И. Стабильность сверхпроводящих проводов с размытым переходом в нормальное состояние. — В кн.: Тр. II Всесоюзн. Конф. по Техн. Использ. Сверхпр. — JI., 1984, т. 2, стр. 136—142.

13. Агапов Ю.П. и др. Исследование потерь энергии в проводниках с неоднородным распределением сверхпроводящих волокон: Препринт ИАЭ-2913. — М., 1977, стр. 25.

С.Л.КРУГЛОВ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО СОСТОЯНИЯ В МОДЕЛЬНЫХ ОБМОТКАХ

Автореферат

Подписано к печати 25.11.92 Формат 60x84/16

Печать офсетная. Уч.-издл. 1,56 Усл.печл. 1,63

Тираж 100 экз. Заказ № 39 Бесплатно

АП "Шанс", 127412, Москва, ул.Ижорская, 13/19