Повышение стабильности сверхпроводниковых магнитов с помощью высокотеплоемких добавок - моделирование, разработка и применение методов анализа экспериментальных данных тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

На правах рукописи

ШУТОВА ДАРЬЯ ИГОРЕВНА

ПОВЫШЕНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ МАГНИТОВ С ПОМОЩЬЮ ВЫСОКОТЕПЛОЕМКИХ ДОБАВОК - МОДЕЛИРОВАНИЕ, РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ АНАЛИЗА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Специальность: 01.04.13 - «Электрофизика, электрофизические установки»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 3 И ЮЛ 2011

Москва - 2011

4851733

Работа выполнена в Национальном Исследовательском Центре «Курчатовский институт»

Научный руководитель: кандидат технических наук

Круглов Сергей Леонидович

Официальные оппоненты: кандидат физико-математических наук

Иванов Денис Петрович

доктор технических наук Сытников Виктор Евгеньевич

Ведущая организация: Высокотехнологический научно-исследовательский

институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара,

Защита состоится «_»_2011 г. в_часов на заседании

диссертационного совета Д 520.009.02 в НИЦ «Курчатовский институт» по адресу: Москва, 123182, пл. Академика Курчатова, дом 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЦ «Курчатовский институт»

Автореферат разослан «_»_2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат физико-математических наук

Демура А.В.

© Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», 2011

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа посвящена исследованию методов повышения стабильности низкотемпературных сверхпроводниковых магнитов (СМ), основанных на введении в их состав веществ, обладающих аномально высокой теплоемкостью при гелиевых температурах - высокотеплоемких добавок (ВД).

Актуальность темы: Постоянно растущие требования к надежности СМ требуют новых подходов к повышению их стабильности. Малая теплоемкость практически всех конструкционных материалов при температурах жидкого гелия, а также ограниченный, зависящий от транспортного тока и магнитного поля критический запас сверхпроводника по температуре (~1К), приводят к тому, что даже небольшие тепловые возмущения электромагнитного или механического происхождения могут приводить к преждевременному переходу СМ в нормальное состояние. Типичными источниками таких возмущений являются электрические потери в переменных режимах работы, движение витков, растрескивание связующего компаунда, скачки магнитного потока в проводнике и т.д. Традиционно эту проблему решают, закладывая дополнительный запас по температуре (т.е. наращивая количество сверхпроводника), что, в свою очередь, приводит к росту габаритов, массы и стоимости магнита. Введение в обмотку дополнительных каналов для непосредственного охлаждения проводника жидким гелием снижает как рабочую плотность тока, так и механическую прочность СМ. Альтернативой может стать увеличение теплоемкости обмотки, достигаемое за счет введения в ее состав нескольких объемных % веществ, теплоемкость которых в интервале температур (4-10) К на 2-3 порядка превосходит теплоемкость обычных конструкционных материалов СМ.

Основные задачи: С 2003 г. в Курчатовском институте совместно с ВНИИНМ им. академика A.A. Бочвара проводятся исследования, направленные на разработку различных методов внесения ВД в состав низкотемпературных СМ. Пройден путь от т.н. внешнего легирования (при котором порошки ВД вносятся в межвитковое пространство плотных обмоток в виде мелкодисперсных наполнителей эпоксидной смолы /1/), к «промежуточному» (медные провода с 1 или не-

сколькими ВД жилами вводятся в состав токонесущих элементов совместно со стандартными композитными сверхпроводниками /2/) и внутреннему легированию (ВД жилы вводятся непосредственно в состав композитного сверхпроводника /3/). Эффект от введения ВД проверялся в многочисленных сериях экспериментов по определению стабильности: образцы с ВД (проводники, токонесущие элементы, модельные обмотки) и идентичные им контрольные образцы без добавок подвергались воздействию электромагнитных возмущений различной продолжительности и интенсивности, создаваемых разрядом конденсатора на возмущающие медные катушки. Минимальная энергия конденсаторной батареи, достаточная для перевода образца в нормальное состояние (критическая энергия возмущения) экспериментально подбиралась методом «проб и ошибок» для различных значений транспортного тока в образцах с добавками и без них.

Прямое сопоставление критических значений энергии конденсатора не дает информации о степени использования добавленной теплоемкости при возмущениях различной продолжительности, и также не позволяет сравнивать эффективность различных методов внесения добавок ни между собой, ни с другими способами повышения стабильности СМ (например, с непосредственным охлаждением сверхпроводника жидким гелием). Основной задачей диссертации является разработка численно-аналитических методов пересчета экспериментальных критических энергий возмущений в тепловыделения непосредственно в образцах, сводящаяся к расчету электрических потерь в композитных сверхпроводниках, токонесущих элементах и модельных соленоидах. Последующее сравнение с теоретической теплопоглощающен способностью образцов позволяло судить о степени использования добавленной теплоемкости в условиях каждого эксперимента.

Цель работы:

- Разработка численно-аналитических методов определения критических энергий низкотемпературных СМ и коротких образцов сверхпроводников (с ВД и без них), подвергающихся воздействию переменных магнитных полей различной конфигурации и ориентации по отношению к образцам.

- Применение разработанных методик для пересчета измеренных экспериментально критических значений энергии возмущений в непосредственные тепло-

выделения в образцах, для последующего сравнения с их максимально теплопо-глощающей способностью и составления выводов о степени использования добавленной теплоемкости.

- Анализ и сопоставление эффективности различных методов внесения ВД в состав низкотемпературных сверхпроводниковых магнитов по отношению к смоделированным возмущениям, продолжительность и интенсивность которых соответствует реальным механическим и электромагнитным процессам, происходящим в обмотках СМ.

Научная новизна: Несмотря на свою очевидность, метод энтальпийной стабилизации никем не был исследован в полной мере. Некоторые научные группы высказывали предположения о возможности использования высокотеплоемких соединений в качестве стабилизаторов СМ. Однако авторы либо ограничивались только предположениями /4,5/, либо сталкивались с экспериментальной проблемой неполного использования добавленной теплоемкости (по причине недостаточной скорости температурной диффузии от сверхпроводника к добавке за время возмущения), и, как следствие - непригодностью метода для демпфирования кратковременных тепловых импульсов /6/.Так или иначе, все попытки исследования влияния ВД на стабильность СМ оставались незавершенными и не имели выходов к практическому внедрению.

Проведенные исследования, основные этапы которых изложены в диссертации, направлены на поиск оптимальных методов внесения ВД в состав СМ. В настоящее время ведутся работы, направленные на получение опытно-промышленных партий МгП и М^Бп сверхпроводников с внутренним легированием ВД. Подобные всесторонние (экспериментальные и расчетные) разработки ни в России, ни за рубежом на сегодняшний день не проводятся.

Достоверность полученных результатов: Опыты по определению стабильности носили сравнительный характер - всегда присутствовал контрольный образец (проводник, обмотка), идентичный легированному, но не содержащий ВД. Удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных для контрольного образца свидетельствовало о верном выборе расчетной методики и сводило ошибку в расчетах к экспериментальной погрешности.

Практическая ценность: Разработанные численно-аналитические методы определения стабильности модельных СМ и коротких образцов сверхпроводящих композитных проводов на основе МэТЧ и №>з8п с внутренним и «промежуточным» легированием ВД позволили существенно углубить степень понимания полученных результатов.

Непосредственное сравнение экспериментальных критических энергий возмущений давало возможность лишь констатировать, во сколько раз возросла стабильность того или иного образца за счет введения добавки в условиях только этого конкретного эксперимента. Более того, в некоторых экспериментах прямое сравнение критических энергий Я-Ь-С контура было просто невозможным из-за того, что изготовленные образцы различались не только наличием либо отсутствием добавки, но и другими физическими свойствами (например, комбинированные №>14 сверхпроводники с «промежуточным» легированием содержали различное количество меди различной чистоты). Данные о непосредственных тепловыделениях в образцах с ВД и без них, полученные с помощью разработанных компьютерных кодов, уже позволяли:

- судить о степени использования добавленной теплоемкости при возмущениях различной продолжительности и интенсивности;

- непосредственно сравнивать эффективность различных методов внесения ВД в состав магнитов - как друг с другом, так и с другими методами повышения стабильности СМ, например за счет непосредственного контакта сверхпроводника с хладагентом;

- давать рекомендации к дальнейшему совершенствованию технологии внесения добавок.

Результаты исследований могут иметь широкое практическое применение: увеличение критических энергий СМ (как при внешнем, так и при внутреннем легировании ВД) позволит повысить рабочую плотность тока в обмотке СМ без снижения надежности его работы. Повышенная термомагнитная устойчивость проводов с внутренним легированием может решить проблему коллективных скачков магнитного потока в проводниках с высокими критическими токами (пример - многочисленные публикации о недостаточной термомагнитной устой-

чивости КЬзЭп сверхпроводников, разрабатываемых доя модернизации поворотных и фокусирующих магнитов Большого адронного коллайдера - программа «ЬЛНР» /7,8/). Как показывают оценки, повышение стабильности СМ компенсирует стоимость добавок и незначительное усложнение процесса изготовления теп-лостабилизированных проводников и обмоток.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Численно-аналитическая методика расчета тепловыделений в модельных СМ, намотанных из стандартных №>14 сверхпроводников с внешним легированием 5 об.% ВД 0<12028 и без него, подвергающихся импульсному воздействию переменного магнитного поля различной длительности и интенсивности, и результаты, полученные с ее помощью из экспериментальных данных.

2. Результаты исследования влияния метода внешнего легирования несколькими об.% ВД (СеСи^, НоСи2, 0с!2025) на устойчивость сверхпроводящего состояния в МУЛ обмотках из стандартных композитных сверхпроводников и кабелей резер-фордовского типа по отношению к максимально допустимым скоростям изменения собственного магнитного поля, полученные с помощью моделирования тепловых и электрических процессов и последующего сравнения с экспериментальными данными.

3. Численно-аналитическая методика расчета тепловыделений в коротких образцах комбинированных МУЛ и МЬ^Бп сверхпроводников с «промежуточным» и внутренним легированием различными ВД (СеСиб, НоСи2, РгВ6, СеА12, 0с12028), вызванных импульсным воздействием продольных электромагнитных возмущений (по длительности и энергиям соответствующих механотермическим), и результаты, полученные с ее помощью из экспериментальных данных.

4. Результаты исследования термомагнитной стабильности ЫЬП и 1ЧЬ35п сверхпроводников с внутренним легированием 5 - 7 об. % ВД Сс^С^ и РгВ6 (близких по конструкции к проводам для обмоток Международного термоядерного реактора ИТЭР).

5. Результаты сравнительного исследования стабильности модельных магнитов из Мэ"П композитных проводов томографического типа с внутренним легированием 2 об. % ВД Ос12Оз и без добавок.

6. Анализ эффективности различных методов внесения ВД в состав магнитов и их сравнение между собой и с непосредственным охлаждением сверхпроводника жидким гелием. Эквивалентность использования ВД увеличению критического температурного запаса СМ.

Апробация работы: Основные результаты работы были представлены на: конференциях США по прикладной сверхпроводимости (IEEE Transactions on Applied Superconductivity) 2005, 2006 гг.; конференции ИСФТТ РНЦ «КИ» по физике конденсированных сред и сверхпроводимости 2006; семинарах НИЦ «Курчатовский институт» по прикладной сверхпроводимости в 2007-2011 гг; 4-й всероссийской конференции по наноматериалам 2011г.

Публикации: Результаты исследований, изложенных в диссертации, опубликованы в 13 работах (10 из которых - в изданиях, рекомендуемых ВАК).

Структура и объём диссертации: Диссертация состоит из введения, литературного обзора, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертации составляет 133 страницы, включая 58 рисунков, 19 таблиц и списка литературы из 57 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении и литературном обзоре обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи исследования, научная новизна и практическая ценность полученных результатов. Отмечено, что к проблеме стабилизации СМ с помощью высокотеплоемких соединений в свое время обращались такие ученые, как M.N. Wilson, D.E. Baynham, В. Barbisch, К. Kwas-nitza.

Первая глава посвящена исследованию метода внешнего легирования СМ ВД, при котором несколько объёмных % мелкодисперсного высокотеплоемкого порошка вносились

Т,К

Рис. I. Теплоемкости различных ВД и конструкционных материалов СМ.

в межвитковое пространство СМ в смеси с эпоксидной смолой. Из двух типов стандартных М>Т1 проводов 0 0,85 мм (число СП волокон 2970, либо 8910) были намотаны 4 небольших (0ш = 23 мм, 0ех1 = 48 мм, И = 50 мм) соленоида с различными ВД. Контрольные СМ ВМ-2970 и В1\1-8910 (здесь и далее соленоиды обозначаются по наполнителю и числу жил в проводнике) содержали порошок стандартного наполнителя - нитрида бора, легированные - 5 об.% керамики вс^С^, теплоемкость которой при температуре жидкого гелия почти в 600 раз превосходит теплоемкость меди (Рис.1). Введение добавки при 4,2 К привело к девятикратному увеличению теплоемкости легированной обмотки.

В экспериментах центральные витки обмотки с добавкой подвергались воздействию быстропеременного поперечного магнитного поля Ве(/) (частота ~ 300 Гц, характерное время затухания импульса ~7,4 мс), создаваемого при разряде конденсаторной батареи на возмущающие медные катушки, расположенные внутри тестируемого СМ. При определенных значениях транспортного тока методом проб и ошибок подбиралось минимальное напряжение на конденсаторе, приводящее к переходу тестируемой обмотки в нормальное состояние. Непосредственное сравнение критических энергий колебательного контура показало существенное (до 80 %) увеличение устойчивости легированного СМ, по сравнению с обычным. В программном пакете «МАТНСАО» был разработан численно-аналитический код, основанный на сравнении реальных тепловыделений в СМ с ВД и без них (сумма кооперативных (1) и гистерезисных (4) потерь в композитном сверхпроводнике 19/, усредненная в объеме обмотки) с максимальной теплопоглощающей способностью соленоидов (3) в адиабатическом приближении. Полученное аналитическое решение уравнения магнитной диффузии (2) позволило учесть эффект ослабления магнитного поля внутри скрученного композита В,(0 за счет наведения экранирующих токов, протекающих во внешних сверхпроводящих волокнах.

Здесь: ТС(1,В) и 1С(В) - критическая температура и ток сверхпроводника /1О/; Т0 -температура жидкого гелия; 77. - объемные доли компонентов обмотки; С(Т) -температурные зависимости теплоемкости материалов обмотки; а и Я - радиусы сверхпроводящей нити и провода соответственно; Вт - амплитудное значение внешнего поля в каждом полупериоде; 6 - электро-динамическая временная постоянная композита. На Рис.2 приведено сравнение максимальной теплопоглощающей способности (линии) и критических энергий СМ с ВД и без них, вычисленных из экспериментальных данных (точки) в зависимости от транспортного тока. Видно, что вместо расчетного 4х-кратного увеличения стабильности, на эксперименте удалось достичь только 80% повышения критических энергий, по причине низкой скорости температурной диффузии от сверхпроводника к ВД. Поэтому естественным продолжением работ стал поиск порогового времени возмущения, начиная с которого метод внешнего легирования ВД будет наиболее эффективным. Эксперименты с возмущениями разной продолжительности 0,2 34 мс (имеется ввиду время затухания импульса) проводились по прежней схеме, с той лишь разницей, что в зависимости от соотношений параметров колебательного контура, переходной процесс носил колебательный, либо апериодический характер. Параметры Л-Ь-С цепи в разных режимах сведены в Табл.1 (под 0 режимом добавлен первый эксперимент с характерным временем 7,4 мс). На Рис. 3 показаны вычисленные из экспериментальных данных критические энергии соленоидов Ос^ОгЗ-ВЭЮ, В1Ч-8910 при температурном запасе сверхпроводника в 0,25 К (1/1с = 0,96) в зависимости от характерного времени затухания электромагнитных колебаний г. Там же обозначены уровни максимальной теплопоглощающей способности легированной и контрольной обмоток и №>Т1 провода без эпоксидной смолы и изоляции в адиабатическом пределе.

-------- 1

расчет эксперимент В№910 — -са2023-8910 •. + -

<

——

200 250 300 350

I, А

Рис.2. Сравнение вычисленных из эксперимента критических энергий модельных №Т1 СМ с внешним легированием 5 % ВД ОсДОгв и без него с теплопоглощающей способностью обмоток.

Табл. 1. Параметры разрядных цепей в опытах по исследованию влияния длительности возмущения на стабильность модельных МУЛ СМ с внешним легированием ВД.

Л<2л/11С (колебания) (критика) Л>2л/1Тс (апериодика)

№ режима 0 1 2 3 4 5

Частота колебаний и, Гц 308 3166 119 17 51 -

Время затухания колебаний г, мс 7,4 0,2 7,4 34,3 1,4 0,64

Круговая частота со, рад/с 1 1 ПС тг 1 1 ПС т1 1 1 1С

Вид импульса внешнего поля Ве(1), Тл Ш _,„ . —е яшй £оЬ Ь ки ,„ . —е "ЪЬа* юЬ

Здесь К, Ь, - сопротивление и индуктивность цепи, С, и -емкость и напряжение на батарее конденсаторов, г = 2ЫЯ \ к - отношение радиального магнитного поля двух встречных возмущающих катушек к току разрядной цепи.

Из Рис.3 видно, что при малой продолжительности возмущения ~ 0,2 мс эффект от введения ВД отсутствовал, поскольку выделяющаяся от электрических потерь энергия в обеих обмотках воспринималось только металлом проводника (совпадение критической энергии с максимальной теплопоглощающей способностью №>Т1 провода), и гранулы добавки не участвовали в процессе теплосъема. Обмотка контрольного СМ ВИ-8910 прогревалась полностью, начиная с характерного времени возмущения т ~ 1 мс, в то время как для легированного магнита это значение оказалось равно ~ 20 мс (см. точки совпадения тепловыделений в СМ с ВД и без них с соответствующими теоретическими приращениями энтальпии обмоток). При более продолжительных возмущениях тепло

частично уходило через боковую поверхность обмотки в жидкий гелий. Максимальное увеличение критических энергий магнита 0(12028-8910 по сравнению с контрольным СМ без добавок составило 3 раза. Условие реализации добавленной теплоемкости: время температурной диффузии от сверхпроводника к добавке должно быть меньше

„ , „ т'мс _ характерного времени возмущения. Это

Рис.3. Зависимость критичсскои энергии обмоток

0<Ш28-8910, ВЫ-8910 от продолжительности утверждение может быть записано в возмущения при температурном запасе

сверхпроводника в 0,25 К виДе уравнения теплового баланса,

связывающего мощность (£}) и продолжительность тепловыделения (10) с приращением энтальпии обмотки (в предположении, что время температурной диффузии внутри провода мало по сравнению со временем прогрева межвиткового пространства А, заполненного эпоксидной смолой с ВД, с усредненными значениями теплопроводности

^э п+ВД

(71) и теплоемкости СЭГ1+В (Т):

IU 1Ü 1 с f

Jßdi- Jc[rrMB(r)dr< р

(С,п+вд(Т) 'К

-dT

(6)

О Го То

Сравнение зависимостей (3(т) при различных запасах сверхпроводника по температуре показало, что обычный соленоид оказался устойчив к тепловыделениям с характерной энергией порядка десятков кДж/м3 (при продолжительности возмущения >10 мс) только при температурном запасе в 1 К, а СМ с ВД справлялся с этими тепловыделениями уже при запасе в 0,5 К. На практике это означает, что использование внешнего легирования ВД позволит повышать рабочую плотность тока (уменьшая количество требуемого сверхпроводника/повышая транспортный ток) без снижения надежности работы СМ.

Еще один интересный вопрос с внешним легированием - можно ли с его помощью бороться с кратковременными скачками магнитного потока собственного поля проводника? Ответ был неожиданно получен при анализе результатов эксперимента, направленного на

300

<

■Aso-

>5?

Jkcnepimeirr рас че

BN-2970 BN-8910 0d20j.s-2970 Gd30;S-8910

dB/dt, Тл/с

Рис.4. Экспериментальные и расчетные скоростные зависимости токов перехода в нормальное состояние

СМ с внешним легированием ВД и без него.

определение максимально допустимых скоростей ввода тока в 4х СМ с ВД и без добавок, намотанных из проводников с разным числом СП волокон различной толщины. При скоростях ввода тока > 300 А/с ( В > 4 Тл/с) для модельного СМ ВЫ-2970 было обнаружено аномальное поведение экспери-

ментальной зависимости Щ), по сравнению с другими соленоидами (Рис.4). Для моделирования тепловых и электрических процессов, происходящих в тестируемых обмотках при вводе тока, был разработан автоматизированный код, позволяющий вычислять ток перехода СМ из совместного решения уравнения (5) и нестационарного уравнения теплопроводности, записанного для обмотки с усредненными физическими параметрами, разогревающейся под действием электрических потерь (1-4) при изменении собственного поля с учетом теплосъема с поверхности обмотки в жидкий гелий. Расчетные кривые, полученные с помощью разработанных кодов, находятся в удовлетворительном совпадении с экспериментом для всех соленоидов, кроме контрольной обмотки В1Ч-2970 при скоростях изменения собственного поля >4 Тл/с. Возможным объяснением может быть возникновение коллективных скачков магнитного потока собственного поля в проводнике с СП нитями большего диаметра. В тоже время в обмотке С<12028-2970, изготовленной из того же провода, таких скачков обнаружено не было. Т.о., применение разработанной численно-аналитической методики позволило не только подтвердить существенный рост токов перехода в нормальное состояние у легированных обмоток (на 25 - 55 % при скоростях ввода поля 5-16 Тл/с), но и выявить тот факт, что введение ВД подавляло развитие термомагнитных неустойчивостей в проводнике, наблюдаемых в аналогичном контрольном СМ без добавок.

Еще одним направлением исследований стала попытка повысить устойчивость сверхпроводящего состояния в овальных №)Т1 обмотках из резерфордовско-го кабеля (одноповивная плоская скрутка 1,44 х 4,64 мм2 с шагом 50 мм, 10 МгП проводов 0 0,85 мм, число СП волокон 8910, к.з. по СП 42 %) по отношению к максимально допустимым скоростям изменения собственного магнитного поля с помощью внешнего легирования 3 об.% ВД СеСиб, НоСи2. Эпоксидная смола с добавками наносилась на поверхность кабеля перед его изолировкой. Введение 3 об. % ВД соответствовало увеличению средней теплоемкости обмоток в 1,5 и в 4,5 раза для ВД СсСи6 и НоСи2 соответственно. В сравнительных опытах, выполненных в Курчатовском институте, были сняты экспериментальные зависимости токов перехода в нормальное состояние легированных и контрольной обмоток при различных скоростях ввода тока (время нарастания собственного поля менялось в

пределах 1-30 с). Для получения расчетных скоростных зависимостей Щ) (Рис.5) был разработан программный код, основанный на решении уравнения теплового баланса (7) в адиабатическом приближении (левая часть уравнения представляет собой полные электрические потери в кабеле при нарастании собственного поля, правая - максимальную теплопоглощающую способность обмотки). Вклад кооперативных потерь в кабеле резерфордовского типа (8) /11/ в суммарную мощность электрических потерь в зависимости от скорости ввода тока составлял от 5% до 30%.

т, (1,В)

ß =

16

15 pL 4 а рш 3 рп

(8)

Здесь: I - шаг транспонирования проводов в кабеле, а=а/Ь - отношение ширины кабеля к его толщине, В и

Вг,

перпендикулярная и

4,5 4,0 3,5

2,0

1,0

dB/dt, Тл/с 4 5

1 ■ 1 1 ■ 1 .

эксперимент BN а СеСи6 ♦ расчет

ч Ч , HoCu2 о

„" ' • -О . -i. ■ -. 0 -ж- _

-

5 Ь 4 Ш

параллельная (к широкой стороне кабеля) компоненты магнитного поля, для компактного кабеля из стрендов без покрытия можно считать рм ~ р±. Удовлетворительное совпадение расчета с экспериментом (Рис.5) говорит о полной реализации повышенной теплоемкости легированных обмоток при продолжительности тепловыделений > 1 с. Эффект от внешнего легирования ВД становится еще более ощутимым при следующей трактовке: для достижения одного и того же значения собственного поля (скажем, 4 Тл), в обмотку с 3 об. % ВД СеСи6

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 dl/dt, КА/С Рис.5. Сравнение расчетных и экспериментальных скоростных зависимостей достигнутых токов овальных NbTi обмоток из резерфордовского кабеля с внешним легированием ВД. ВД и без него.

оказалось возможным вводить ток на 25 % быстрее (В ~ 5 Тл/с), чем в контрольную (В ~ 4 Тл/с), а в обмотку с таким же количеством ВД НоСи2 - уже на 75% быстрее (5 ~ 7 Тл/с). Продемонстрированная возможность увеличения допустимых скоростей ввода тока в СМ из резерфордовского кабеля с высоким уровнем электрических потерь делает предложенный метод перспективным при изготовлении дипольных магнитов для ускорителей заряженных частиц, особенно, учитывая, что альтернативные возможности увеличения их стабильности практически исчерпаны.

Вторая глава посвящена исследованию метода «промежуточного» легирования СМ ВД, ставшего следующим шагом на пути увеличения температуропроводности от сверхпроводника к добавке. По инициативе Курчатовского института во ВНИИНМ им. академика A.A. Бочвара была разработана технология изготовления медных проводов с одной или несколькими ВД жилами. Главная цель работ с «промежуточным» легированием заключалась в том, чтобы показать принципиальную возможность внесения хрупких добавок внутрь провода методом «порошок в трубе». В Курчатовском институте были проведены сравнительные эксперимен-

200

600 800 Т.МКС

1200

№ режима 1 2 3

Время затухания импульса т, мке 44 115 1200

Частота э-м колебаний \>=со/2тс, кГц 13,2 1,7 0,3

Глубина скин-слоя в меди 5 = {2р1ац0)т'М1Л ~0,05 -0,1 -0,5

Импульс внешнего поля &(/), Тл tifj0CU(col! со)-е "* sin cot

Здесь С, и -емкость и напряжение на батарее конденсаторов, Ь и и — индуктивность и плотность витков возмущающей катушки, р - удельное сопротивление проводника в поперечном направлении, со0=(1С)"т -собственная частота контура, а>=(а>02-

О/*2))1'2.

Рис.6. Результаты сравнительных опытов по определению критических энергий МГЛ токонесущих элементов с «промежуточным» легированием ВД.

ты, в которых, короткие образцы, представляющие собой стандартные \ЬТ) сверхпроводники (0 0,85 мм, 2970 СП волокон), спаянные свинцово-оловянным припоем с медными проводами того же диаметра, содержащими 1 (0 0,6 мм) или 19 (0 0,1 мм) жил различных ВД (СеСи6, СеА12, НоСи2, РгВ6, вс^С^) в количестве 5-20 об. % (по объему медного провода), подвергались воздействию продольных импульсов переменного магнитного поля разной длительности (см. табл. на Рис.6) во внешнем поперечном поле 1,5-3 Тл. Также был изготовлен контрольный образец, в котором №>Т1 провод был спаян с медным проводом без ВД. Поскольку экспериментальные образцы содержали различное количество меди разного качества, прямое сравнение критических энергий возмущающего контура оказалось невозможным. Для адекватного сравнения полученных данных была разработана численно-аналитическая методика расчета тепловыделений в коротких образцах токонесущих элементов с ВД. В высокочастотных возмущающих режимах № 1 и 2 (см. табл. на Рис.6) возникал ярко выраженный скин-эффект, и нагрев происходил в тонком приповерхностном слое меди толщиной 5. Выделяющуюся при этом энергию можно оценить в модели бесконечной пластины, находящейся в осциллирующем магнитном поле 5е(0> приложенном параллельно ее поверхности 151.

= п2 ■ р-т-СЦг [Дж/М3] (9) (¡■8-1

В режиме № 3 глубина проникновения поля внутрь проводников становится сравнима с их диаметрами, и расчет в модели пластины неприменим. В этом случае для каждого типа проводов критическая энергия тепловыделений рассчитывалась с учетом экранировки магнитного поля внутри проводника

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

Рис.7. Зависимость критической энергии №>Т1 проводников с «промежуточным» легированием от транспортного тока при охлаждении жидким гелием и в адиабатических условиях, В = 1,5 Тл, г= 1,2 мс.

/12/ (аналитические выражения из-за громоздкости не приводятся). На Рис.6 показаны результаты расчетов, полученные с помощью разработанных кодов на основе экспериментальных данных, иллюстрирующие влияние характерного времени возмущения на критическую энергию трех теплоизолированных образцов: контрольного без добавок, и двух 19 жильных образцов с ВД НоСи2 и РгВ6 в сравнении с их теоретической теплопоглощающей способностью (пунктирные линии). Видно, что полное использование добавленной теплоемкости начинается при характерных временах возмущений > 1 мс. Максимальный рост критических энергий легированных проводников составил 3,5 раза по сравнению с контрольным образцом. Одножильные образцы продемонстрировали крайне малую прибавку в стабильности из-за слишком большого времени прогрева толстой ВД жилы. При охлаждении половины периметра образцов жидким гелием эффект увеличения критических энергий за счет введения добавки сохранился, хотя и слегка снизился до 2,5 раз (Рис.7).

Разработка технологии «промежуточного» легирования позволила осуществить важный шаг: была показана возможность изготовления длинномерных проводов (Cu+ВД). Разработанные программные коды вычисления прямых критических энергий образцов показали, что пороговое значение продолжительности возмущения, соответствующее полному использованию добавленной теплоемкости, сместилось с ~ 20 мс (при внешнем легировании) до - 1 мс (для 19ти-жильных образцов с высокой чистотой меди). Предложенный метод, будучи особенно эффективным в плотных обмотках СМ, остается целесообразным и для хорошо охлаждаемых обмоток.

Третья глава посвящена исследованию совершенно нового типа композитных сверхпроводников, содержащих ВД жилы непосредственно в проводе. После получения весьма обнадеживающих результатов

на комбинированных сверхпровод- а Ь

Рис.8. Сечения Nb3Sn и NbTi проводов «ИТЭРовского» типа с внутренним легированием ВД.

РгВб

Nb3Sn / Nb

никах с «промежуточным» легированием, по инициативе Курчатовского института во ВНИИНМ имени A.A. Бочвара был разработан метод внутреннего легирования композитных NbTi и Nb3Sn проводов, близких по конструкции к проводникам для ИТЭР. Nb3Sn провод содержал ВД РгВ6, в виде 35 мкм кольцевого слоя, расположенного между Nb барьером и наружной медной оболочкой (0 провода 0,82 мм, число сверхпроводящих волокон - 4420, коэффициент заполнения по сверхпроводнику около 11 % (после диффузионного отжига), объемная доля ВД - 7 %); NbTi - ВД Gd2Ü2S в виде 13 жил толщиной (10-70) мкм, сосредоточенных в центре проводника в медной матрице (0 провода 0,73 мм, число сверхпроводящих волокон - 4242, коэффициент заполнения по сверхпроводнику около 38 %, объемная доля ВД - 5 %). Также были изготовлены контрольные провода идентичные легированным, но без добавок - Рис.8. Теплоемкость провода (Nb3Sn+PrB6) при 4,2 К увеличилась по сравнению с нелегированных образцом - в 7 раз, а у (NbTi+Gd202S) - в 9 раз.

В Курчатовском институте были проведены сравнительные опыты по определению устойчивости коротких теплоизолированных образцов сверхпроводников с внутренним легированием и без него в поперечном поле с индукцией 3 Тл к продольным возмущающим импульсам магнитного поля, создаваемым при разряде конденсатора на резистивную катушку, намотанную на образец (время затухания возмущающего поля - 1,1 мс). Рост критических энергий возмущающего кон-

О,

tii —

эксперимент расчет Nb3Sn+PrB6 ■ --- Nb3Sn 0 -

£

[

: :

200 300 400 500

1,А а

Рис.9. Сравнение токовых зависимостей экспериментальной критической энергии и теоретической теплопоглощающей способности ЫЬзЭп (а) и МЪТ1 (б) проводов с внутренним легированием ВД и без него.

тура у легированных проводов по сравнению с контрольными без добавок составил 5-6 раз для ЫЪзЭп, и до 4х раз для МЬ'П (при приближении к 1с). Сравнение тепловыделений в проводах (вычисленных с помощью численно-аналитического кода, разработанного по аналогии «промежуточным» легированием) с теплопо-глощающей способностью проводников показано на Рис. 9. №3811 проводники оказались в 1,5 раза более стабильными, чем предсказывал расчет, т.к. 35 мкм кольцевой слой ВД РгВ6 играл роль теплового сопротивления между стабилизирующей Си оболочкой (в которой происходил основной нагрев вихревыми токами) и сверхпроводящей зоной. В случае №>11 проводников, напротив, на эксперименте не удалось достичь расчетного увеличения стабильности, по причине не полной реализации теплоемкости добавки.

Кроме этого было проведено сравнительное исследование термомагнитной стабильности проводов с ВД. Экспериментальные образцы представляли собой 4 однослойных соленоида с пропаянными витками (модельно соответствующие длинным полым сверхпроводящим цилиндрам), намотанные из проводов с ВД и без них и размещенные во внешнем магнитном поле, возрастающем с постоянной скоростью до 15 Тл/с. При скачке магнитного потока внешнее поле быстро проникало в центр образца, нагревая его до критической температуры. Нагрев проводов перед первым скачком из-за электрических потерь всегда был невелик (-0,1 К). Для оценки степени прогрева ВД жил был выполнен расчет индукции магнитного поля, соответствующего скачку магнитного потока В, в рамках критерия «адиабатической стабильности» сверхпроводников, впервые полученного в работе /13/:

В] = 0,57с^{10С(Тс - Т0) (Ю)

1 I адиабатической стабильности эксперимент ГЧЬЗво-Н ■ :о тчьзвп • ьРгВб

т Е

I и —Т

-------—Г"

О 2 4 6 8 10 12 14

ав/<й, тл/с

Рис.10. Зависимость поля скачка магнитного потока от скорости изменения внешнего магнитного поля для №>з8п сверхпроводников с внутренним легированием ВД РгВ6.

где: С, Т0 и Гс - объемная теплоемкость, начальная и критическая температуры проводника. На Рис.10 приведено сравнение экспериментальных значений с расчетом для №>38п проводов с ВД и без нее. Поскольку теплоизоляция образцов не обеспечивала полной адиабатичности процессов, то при малых скоростях роста поля существует характерная для охлаждаемых образцов зависимость В^дВ/А^ /14,15/. При более высоких скоростях изменения поля значения В^ выходят на постоянную величину (для контрольного образца соответствующую «адиабатическому» критерию стабильности, для образца с ВД - существенно ниже из-за неполного использования теплоемкости). Увеличение значений поля скачка для образца (КЬ38п+РгВ6) составило 70 % при расчетном в 2,5 раза. У образца (МЪТ1+0ё2028) эта прибавка составила лишь 10 % из-за сильного различия характерных времен прогрева ВД (тепловое время прогрева толстых жил 0ё2028 ~ 1 мс, в случае более тонких жил РгВ6 ~ 20 мкс, что гораздо ближе к характерным временам развития термомагнитных неустойчивостей ~ 10-100 мкс).

Параллельно с разработкой теплостабилизированных сверхпроводников, близких по конструкции к проводам для ИТЭР, шли работы по созданию №>Т1 проводов с ВД томографического типа. Объем производства СМ для магниторезо-нансной томографии соответствует потреблению порядка тысячи тонн МэТл проводов в год. Использование новых проводников с повышенной устойчивостью к тепловым возмущениям м

может привести к снижению расходов на ввод СМ в эксплуатацию за счет устранения тренировки. Также проводился поиск новых добавок, обладающих (помимо высокой теплоемкости) широкой доступностью, нетоксичностью и низкой

Рис. 11. Критические энергии модельных СМ с внутренним легированием ~2об.% ВД Ой2Оз и без него.

ценой. В результате во ВНИИНМ им. академика A.A. Бочвара были изготовлены опытные куски (длиной ~ 100 м) томографического NbTi провода (0 0,7 мм, 28 СП волокон) с ~ 2 об.% ВД GCI2O3 в виде 14-ти 7-ми жильных вставок, а также аналогичный провод без добавок (Рис.11), из которых в Курчатовском институте были намотаны 2 модельных СМ. Там же были проведены опыты по сравнительному определению стабильности изготовленных магнитов по аналогии с внешним легированием для двух характерных времен возмущений 1,4 мс и 7,4 мс (режимы 2 и 4 из Табл.1). Для всестороннего анализа результатов был разработан программный код, позволяющий вычислять прямые значения критических энергий модельных СМ из томографических проводников в сравнении с расчетным приращением энтальпии для возмущений разной продолжительности (Рис.11). Прибавка к стабильности за счет легирования ВД увеличивалась по мере приближения к критическому току и составила (23-75) % для 1,4 мс, и (36-83)% для 7,4 мс.

Благодаря разработанным численно-аналитическим методам появилась возможность сравнения степени использования теплоемкости модельных СМ (?7=(Q3Kcn/Hpac4)' 100%), изготовленных по технологиям внешнего (5 об. % ВД Gd202S) и внутреннего (~1 об.% /по обмотке/ ВД Gd203) легирования при одинаковых критических запасах по температуре (Рис.12). Технология внутреннего легирования позволяет существенно (до 4х раз при малых критических запасах/больших транспортных токах) повысить степень использования теплоемкости ВД по сравнению с внешним легированием, т.е. является гораздо более эффективной, несмотря на то, что объемное содержание ВД в СМ с внутренним легированием в 5 раз меньше.

ДТ (1,В), К

Рис. 12. Сравнение степени использования теплоемкости обмоток СМ с внешним и внутренним легированием.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В Табл.2 обобщены основные результаты, полученные в ходе моделирования и теоретического анализа экспериментов по исследованию различных методов внесения ВД в состав СМ.

На Рис.13 приведено сравнение результатов опытов по определению стабильности сверхпроводников с внутренним легированием ВД с данными экспериментальной работы /5/ 1987 года, в которой проводились измерения устойчивости к кратковременным электромагнитным возмущениям №>Т1 и М^Бп композитных проводников в адиабатических условиях и при наличии прямого охлаждения жидким гелием. Прибавка к критической энергии теплоизолированных проводников за счет введения добавок оказалась заметной на фоне непосредственного охлаждения жидким гелием. С учетом преимуществ плотных обмоток, таких, как высокая плотность тока, а также механическая и электрическая прочность, выбор между легированием ВД и вводом в конструкцию каналов для хладагента становится, по крайней мере, дискуссионным вопросом.

0,75 1 дтп, в), к

Рис.13. Сравнение критических энергий композитных сверхпроводников с внутренним легированием ВД с данными работы /5/, полученными на теплоизолированных и хорошо охлаждаемых №>Т1 и №>з8п проводах.

Вид легирован ия Образец Объемное содержание ВД Характерны й размер ВД, мкм Увеличение критических энергий Степень использования добавленной теплоемкости Увеличение поля 1го скачка магнитного потока Тренировка*

внешнее Модельные СМ из стандартного ШЛ провода с добавкой ВД порошков (СеСиб, НоСиа, йбгОгв) с характерным размером гранул 5-8 мкм в эпоксидную смолу 5% 500 (1/2 расстояния между витками) до 3 раз (г = 30мс) 100% 30 %4 35 % рост тока 1го перехода в нормальное состояние и на 18% в конце тренировки

50-80% ( Г а 7 МС) 20-35 %

15-50% (т * 1 мс) -10%

>> -ИЗ к О ^ 5 0 5 - о с Короткие образцы: стандартный N№1 провод + Си провод с 1 жилой ВД 00,7мм (СеСи6. НоСи2) 10-20% (в Си проводе) 700 Незначительное Незначительное - -

Короткие образцы: стапдартпый МЬИ провод + Си провод с 19 жилами ВД 00,1мм (СеСи<„ НоСи2, СеАЬ. РгВ6. Gd202S) 5-13 % (в Си проводе) 100 до 3,5 раз (Т 1 1 мс) 40-100% 20 %* -

внутреннее i те 1 I !|§ о Я о , 2 * ^ й о Зое « О. о г я с. е. р о (-Ы 5 МКП +13 центральных жил всЬС^ 0 70 мкм 5% (в проводе) 70 10-80% (при ]<0,7]с) 2-4 раза (при />0,7/с) (т к 1 мс) 55-100% 10% -

М^п - кольцевой слой 60 жил РгВ6 0 35 мкм 7% (в проводе) 35 3,5- 6 раз (при любых токах) (г ~ 1 мс) 100% 70% -

Модельные СМ из ШП томографичс ских проводов №П+14 7-ми жильных ВД вставок 1 % (по объему обмотки) ВД вставка ~ 50 мкм ВД жила ~ 10 мкм 40-80% (г а 7 мс) 50-80% - -

20-75 % (г » 1 мс) 40-55 %

•-работы, выполненные без участия диссертанта

выводы

1. Разработан метод анализа устойчивости модельных сверхпроводниковых магнитов (СМ) из промышленно выпускаемых NbTi сверхпроводников с внешним легированием 5 об.% высокотеплоемкой добавки (ВД) Gd202S к воздействию электромагнитных импульсов различной продолжительности и интенсивности, позволяющий на основании экспериментальных данных определять степень использования теплоемкости обмотки в условиях каждого возмущающего режима. Прямые экспериментальные данные не давали информации о степени использования теплоемкости ВД, а также не позволяли сравнивать различные способы внесения добавок ни между собой, ни с другими методами повышения стабильности СМ.

2. С помощью разработанного программного кода определена характерная продолжительность возмущений, начиная с которой эффективность технологии внешнего легирования СМ ВД достигает 100%. Метод расчета основан на сопоставлении теоретической теплопо-глощающей способности соленоида с электрическими потерями непосредственно в обмотке СМ. Электрические потери вычислялись по известным из эксперимента минимальным значениям энергии возмущающего R-L-C контура, достаточной для перехода магнита в нормальное состояние. Пороговое значение продолжительности возмущения т оказалось равно 20 мс. При более продолжительных возмущениях теплоемкость добавки использовалась полностью, что соответствовало Зх кратному увеличению критических энергий магнита с ВД и оказалось эквивалентно 2х кратному увеличению критического запаса по температуре в сравнении с контрольным соленоидом без добавок.

3. Разработан метод расчета скоростных зависимостей токов перехода в нормальное состояние модельных NbTi СМ из промышленно выпускаемых композитных сверхпроводников с внешним легированием ВД и без него. В результате сравнения расчетных кривых с известными экспериментальными данными обнаружено, что времена ввода тока в (0,1-100) с гарантируют полное использование добавленной теплоемкости, и введение 5 об.% ВД Gd202S в эпоксидную смолу увеличивает токи перехода на 25-55 % при скоростях изменения собственного магнитного поля вплоть до 15 Тл/с. Показано, что использование ВД позволяет частично подавлять проявление термомагнитных неустойчивостей (наблюдаемых у контрольного магнита без добавок), даже несмотря на крайне малую продолжительность этих процессов (<100 мкс).

4. Разработан метод анализа устойчивости модельных соленоидов из NbTi кабелей Резер-фордовского типа с внешним легированием ВД НоСи2 и СсСи<; и без него по отношению максимально допустимым скоростям изменения собственного магнитного поля. Показано, что внешнее внесение 3 об.% ВД позволяет заметно увеличить допустимую скорост запитки магнитов (до 75% при dB/dt ~ 8 Тл/с). Полученные с помощью разработаннь

численно-аналитических кодов расчетные скоростные зависимости токов перехода в нормальное состояние находятся в хорошем согласии с экспериментом, что говорит о полном использовании добавленной теплоемкости при временах нарастания поля 1-30 с.

5. Создан автоматизированный программный код, позволяющий определять критические энергии коротких образцов комбинированных ИЬТ1 сверхпроводников с «промежуточным» легированием различными ВД (СеСи6, НоСи2, РгВ6, СеА12, Сс12028), подвергающихся импульсному воздействию продольных электромагнитных возмущений по длительности и энергиям соответствующих механотермическим. Прямое сопоставление между собой экспериментальных значений критических энергий возмущающего Я-Ь-С контура оказалось невозможным из-за существенного различия физических свойств образцов. Благодаря разработанным методам анализа экспериментальных данных обнаружено существенное увеличение стабильности легированных образцов - до 3,5 раз, по сравнению с образцом без добавок. Установлено, что технология «промежуточного» легирования позволила снизить время полного прогрева добавок с десятков миллисекунд (при внешнем легировании) до ~ 1 мс. Показано, что метод остается целесообразным и для хорошо охлаждаемых обмоток: при охлаждении половины периметра образцов с ВД жидким гелием максимальный рост их критических энергий составил 2,5 раза, по сравнению с контрольным образцом без добавок.

6. Разработан метод анализа устойчивости коротких образцов качественно нового типа сверхпроводников на основе МэТл и №35п с внутренним легированием 5 - 7 об. % ВД 0(12028 и РгВ6 (близких по конструкции к проводам для обмоток Международного термоядерного реактора ИТЭР) по отношению к электромагнитным импульсным возмущениям продолжительностью ~ 1 мс. При пересчете критических энергий возмущающего контура (известных из эксперимента) в электрические потери в образцах и последующем сопоставлении с их максимальной теплопоглощающей способностью обнаружено, что благодаря удачному размещению тонкий кольцевой ВД слой играл роль дополнительного теплового сопротивления между сверхпроводящей зоной и разогревающейся медной оболочкой. Критические энергии №>38п сверхпроводника с ВД по сравнению с контрольным образцом без добавок возросли в 6 раз, минимальная индукция магнитного поля, при которой в проводнике возникали скачки магнитного потока - на 70 %. Увеличение стабильности МэН проводников оказалось меньшим по причине низкой температуропроводности ВД жил, обусловленной их большим поперечным размером.

7. Разработан метод анализа устойчивости модельных СМ из качественно новых >1ЬТ1 проводов томографического типа с внутренним легированием 2 об. % ВД Ос12Оз и без него к воздействию электромагнитных импульсов различной продолжительности и интенсивности. С помощью численно-аналитического кода пересчета критических энергий возмущений (известных из эксперимента) в непосредственные тепловыделения в тестируемых

СМ обнаружено заметное (до 80%) увеличение стабильности магнита с добавкой по сравнению с контрольным, соответствующее 40-80% использованию добавленной теплоемкости при продолжительности возмущений >1 мс. Положительный эффект от добавки оказался ярко выраженным при больших значениях транспортного тока (~0,91с) - наиболее важная для практического применения область.

8. Показано, что при внутреннем легировании ~1 об.% ВД (по обмотке) добавленная теплоемкость используется до 4х раз лучше, чем при введении ~ 5 об. % порошков ВД в эпоксидную смолу.

9. Показано, что увеличение критической энергии теплоизолированных проводников за счет внутреннего введения ВД заметно даже в сравнении с ростом стабильности, который может быть обеспечен за счет непосредственного охлаждения проводника жидким гелием.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

1. Р.А. Alekseev, A.I. Boev, V.E. Keilin, I.A. Kovalev, S.S. Kozub, E.A. Kostrov, S.L. Kruglov, V.N. Lazukov, I.P. Sadikov, D.I. Shutova. Influence of heat capacity substances doping on quench currents of fast ramped superconducting oval windings // Cryogenics. 2006. Vol. 46. P. 252-255.

2. I.I. Akimov, PA. Alekseev, V.E. Keilin, LA. Kovalev, S.L. Kruglov, E.A. Kostrov, V.N. Lazukov, M.I. Medvedev, I.P. Sadikov, A.K. Shikov, D.I. Shutova. Stability increase of NbTi conductors with additions of extremely large specific heat substances // IEEE Transactions on Applied Superconductivity conference 2006. Vol.16. No2. P. 1172-5.

3. P.A. Alekseev, V.E. Keilin, I.A. Kovalev, S.L. Kruglov, V.N. Lazukov, M.I. Medvedev, D.I. Shutova. Investigation of considerable stability increase of composite superconductors doped with extremely large heat capacity substances // Superconductor Science and Technology. 2007. Vol. 20. P. 71-76.

4. П.А. Алексеев, B.E. Кейлин, И.А. Ковалев, C.J1. Круглое, В.Н. Лазуков, М.И. Медведев, Д.И. Шутова. Обнаружение значительного увеличения стабильности комбинированных сверхпроводников с добавками веществ с чрезвычайно высокой теплоемкостью при низких температурах //ЖТФ. 2007. т. 77. вып. 9. Стр. 48-53.

5. V.E. Keilin, I.A. Kovalev, S.L. Kruglov, D.I. Shutova. The influence of thermal disturbance duration on the stability of superconducting windings with extremely large heat capacity substances //Superconductor Science and Technology. 2008.Vol. 22. No 2.21 025018.

6. V.E. Keilin, I.A. Kovalev, S.L. Kruglov, A.E. Vorobjeva, M.I. Medvedev, A.K. Shikov, D.I. Shutova. Considerable stability increase of Nb3Sn multifilamentary wire internally doped with a large heat capacity substance (PrB6) // Superconductor Science and Technology. 2009. Vol. 22. No 8.085007.

7. B.E. Кейлин, И.А. Ковалев, С.Л. Круглов, В.И. Щербаков, Д.И. Шутова. Обнаружение значительного увеличения термомагнитной стабильности у многожильных сверхпроводников с внутренним легированием высокотеплоемкими добавками //ЖТФ. 2010. т. 80. вып. 2. Стр. 155-158.

8. В.Е. Кейлин, И.А. Ковалев, С.Л. Круглов, Д.И. Шутова. Влияние легирования сверхпроводящих соленоидов высокотеплоемкими добавками на стабильность в динамических режимах //ЖТФ. 2010. т. 80. вып. 3. Стр. 115-117.

9. А.Е. Воробьева, В.Е. Кейлин, И.А. Ковалев, С.Л. Круглов, М.И. Медведев, Л.В. Потанина, Н.И. Салунин, А.К. Шиков, Д.И. Шутова. Исследование увеличения стабильности композитного №>П сверхпроводника с добавкой высокотеплосмкого соединения в^ОгЗ //ЖТФ. 2010. т. 80. вып. 10. Стр.

10. V.E. Keilin, I.A. Kovalev, S.L. Kruglov, A.K. Shikov, D.I. Shutova, A.E. Vorobjcva, M.I. Medvedev, L.V. Potanina, N.I. Salunin. Utilization of large heat capacity substances for improving the stability of superconducting magnets // Cryogenics. 2011. Vol. 51. P. 359-365.

1. П.А. Алексеев, В.Е. Кейлин, И.А. Ковалев и др. Сверхпроводящие обмотки (варианты) // Патент No 2254633 РФ. 2003.

2. И.И. Акимов, П.А. Алексеев, А.П. Ведерников и др. Композитный сверхпроводник // Патент No 2273906 РФ. 2006.

3. Л.Е. Вождаев, А.Е. Воробьева, В.Е. Кейлин и др. Теплостабилизированный сверхпроводник // Патент No 2334296 РФ. 2008.

4. S. Rosenblum, Н. Steinberg, W. Steyert. IEEE Trans on magnetic MAG-13.1977. P. 834.

5. D.E. Baynham, V.W. Edwards and M.N. Wilson. Transient stability of high current density superconducting wires // IEEE Trans, on Magn. 1987. Vol. 19. No 3. P. 676-679.

6. B. Barbisch, K. Kwasnitza. Experiments on enthalpy stabilization in technical superconductors // Proc ICEC.1984. Vol.10. P.689.

7. B. Bordini, E. Barzi, S. Fchcr, ct al. Self-field effects in magneto-thermal instabilities for Nb-Sn strands // IEEE Trans. Appl. Supercond 2008. Vol. 18. No. 2. P. 1309 - 1312.

8. E. Brazi, N. Andreev, M.Bosseit, et al. Development and study of Nb3Sn strands and cables for high field accelerator magnets // Advanced in Cryogenic Engineering: Transactions of the Cryogenic Engineering Materials conference- ICMC-2010. Vol. 56. P.183-190.

9. M. Уилсон //Сверхпроводящие магниты// Москва. Мир. 1985. С.157-237.

10.В.Е. Кейлин. Простое уравнение критической поверхности жестких сверхпроводников II рода// Д. А. Н. 263.1982. No 1.С. 90-92.

11. M.N. Wilson // Preprint RHEL/M/A26. 1972.

12. G.V. Trokhachev. Expressions for shielding and energy losses calculation in conducting bodies with different geometries // 1979. Preprint P-B-0426 of Efremov Institute. P. 1-26.

13. R. Hancox //Phys. Lett. 1965. Vol. 16. No 3. P. 208-209.

14.A.B. Гурсвич, А.Л. Рахманов, Р.Г. Минц // Физика композитных сверхпроводников // Москва. Наука. 1987. стр. 126-139.

15.С.Л. Круглов, В.И. Щербаков. Динамика скачка потока в композитном сверхпроводнике //ЖТФ. 2002. т. 72. N11. С. 121-124.

70-73.

Список цитируемой литературы

Подписано в печать 05.07.11. Формат 60x90/16 Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,75 Тираж 65. Заказ № 54

Отпечатано в НИЦ «Курчатовский институт» 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1

Введение.

Литературный обзор.

1 .Внешнее легирование

1.1. Исследование стабильности NbTi сверхпроводников в составе плотных обмоток с внешним легированием ВД Gd202S.

1.2. Влияние продолжительности возмущения на эффективность метода внешнего легирования ВД.

1.3. Влияние внешнего легирования ВД на термомагнитную стабильность NbTi сверхпроводников в составе плотных обмоток.

1.4. Влияние внешнего легирования.ВД на максимально допустимые скорости ввода/вывода тока в овальных NbTi обмотках из Резерфордовского кабеля.

В настоящее время сверхпроводящие магниты (СМ) широко применяются в медицине, промышленности и, особенно, научном приборостроении. Для пользователей важнейшей характеристикой магнитной системы является ее надежность. Разработчикам магнитных систем хорошо знакомо явление деградации, при котором токи перехода СМ в нормальное состояние оказываются ниже (нередко значительно ниже) критических токов, измеренных на коротких образцах того же сверхпроводника. Причина этого нежелательного эффекта состоит в разогреве обмотки СМ под действием возмущений различного происхождения, проявление которых усиливается с ростом размеров магнита. Деградации обычно сопутствует явление тренировки, которое состоит в постепенном повышении токов, достигаемых СМ, после нескольких переходов магнита в нормальное состояние из-за механического упрочнения обмотки-[1].

В 1978 г. Wipf [2] первым ввел понятие «энергетического спектра возмущений», возникающих в обмотке СМ. На рис.1 приведен подобный спектр, предложенный профессором Ивасой из Массачусетского^ Технологического Университета (США) на конференции по прикладной сверхпроводимости 2005 г., связывающий между собой длительность и характерную энергию тепловыделений в СМ [3]. Возмущения характеризуются степенью их локализации в пространстве и длительностью. Продолжительные точечные возмущения могут быть вызваны, например, плохим электрическим контактом в месте соединения проводов, продолжительные объемные -электрическими потерями в переменных режимах, избыточным теплопритоком при неполадках системы криогенного обеспечения магнита, появлением небольшого сопротивления в обмотке по мере приближения плотности тока к критическому значению и т.д. Длительные возмущения обычно являются регулярными и воспроизводимыми и могут вызывать значительную деградацию. температуре (рис.2). Например: усредненная теплоемкость, многожильного N1)11 провода в медной матрице при 4,2 К составляет ~ 1,5 мДж/см , а типичный характерный запас по температуре ~ 1 К. Если сопоставить эти цифры, с характерными плотностями энергии возмущений в СМ, станет ясна опасность преждевременных переходов в нормальное состояние, и, как следствие, необходимость дополнительной стабилизации магнита.

Метод стационарной- стабилизации с заключением сверхпроводника в нормальный металл с высокой теплопроводностью и одновременным улучшением условий охлаждения жидким* гелием, предложенный Стекли в 1965 г, позволяет успешно бороться с деградацией критического тока. Под действием не слишком большого теплового возмущения ток перетекает из сверхпроводника в стабилизирующую матрицу (выделяющееся тепло отводится хладагентом), и если теплоотдача с поверхности стабилизатора в гелий превышает мощность тепловыделения, температура.провода снижается, и ток возвращается в сверхпроводник. Однако зачастую при кратковременных возмущениях критерий стационарной стабилизации может нарушаться, и возмущение может быть настолько сильным, что сверхпроводник необратимо ■ переходит в нормальное состояние. Более того, нередко первый переход магнита, может оказаться последним - при неконтролируемых переходах возможны электрические пробои между витками и, даже, выгорания частей обмотки.

Диссертация посвящена исследованию альтернативных методов повышения- стабильности СМ, основанных на введении в конструкцию магнитов материалов с аномально высокой теплоемкостью при гелиевых температурах.

Известно, что некоторые интерметаллические соединения и керамики имеют необычные физические свойства при низких температурах. На рис.2 показаны температурные зависимости теплоемкостей некоторых из них, а также обычных конструкционных материалов, применяемых при изготовлении СМ [4-10]. 5 6 7 8 9

10

Выражение (1) определяет температурную зависимость теплоемкости твердого тела при температурах ниже Дебаевской (первый и второй члены представляют собой электронный и решеточный вклады в теплоемкость соответственно):

Причины возникновения аномально высоких значений теплоемкости различны, причем у одних веществ может преобладать как единственный механизм, так и их комбинации. Например, интерметаллид СеСи6 является представителем, так называемых веществ с тяжелыми фермионами, которые с точки зрения классической физики металлов являются аномальными системами, поскольку электронные ^оболочки их ионов имеют нескомпенсированные магнитные моменты. Обычные металлы такого момента не имеют, поскольку все их электронные оболочки либо полностью заполнены, либо пусты, и суммарный магнитный момент иона равен 0. Увеличение электронного вклада в теплоемкость при снижении температуры происходит в результате одного из двух основных типов взаимодействия ^электронов недостроенной оболочки с окружением. Первая причина заключается в снятии

С{Т) = уг + рт з

1) вырождения состояния 4f электронов в кристаллическом электрическом поле, потенциал которого формируется при участии ионов ближайшего окружения и электронов проводимости, что обеспечивает дополнительный вклад в теплоемкость. Вторая — в рассеянии свободных электронов проводимости на локализованных электронах ^оболочек с переворотом спина, в результате чего эффективная масса свободных электронов возрастает на несколько порядков. В свою очередь гигантский рост эффективной массы приводит к резкому увеличению электронной теплоемкости всей системы (параметр у в (1)).

Высокая удельная теплоемкость других соединений, например НоСш, всЬСЬЗ объясняется существованием антиферромагнитного фазового перехода II рода в магнитной подсистеме электронов атомов металла. При достаточно низкой температуре, ниже некой характерной- Г0 ~ 1 - 100 К, вместо антиферромагнитного упорядочения' происходит частичное или полное подавление локального магнитного момента8 £-оболочки, причем его величина полностью восстанавливается при высоких температурах и, далее магнитная восприимчивость при Т»Т0 следует закону Кюри (намагниченность парамагнетика в постоянном магнитном поле обратно пропорциональна абсолютной температуре: М = сп- В/Т, с0 - постоянная, Кюри для данного материала). Существенное отличие этих систем от обычных металлов в том, что при низких температурах Т< Т0, возникает парамагнитное состояние, часто с очень высокими значениями величины магнитной, восприимчивости, а также линейного по температуре коэффициента в теплоемкости (уТ), что свидетельствует о формировании высокой плотности электронных состояний вблизи поверхности Ферми при Т< Т0 [11]. В соединении РгВб работают два механизма увеличения теплоемкости: эффекты кристаллического поля и подавление магнитного момента. При температурах выше 10 К различие в теплоемкостях нормальных металлов и упомянутых соединений исчезает, благодаря вкладу растущей фононной составляющей теплоемкости материалов обмотки (член ртъ в(1)).

А-рпоп ясно, что использование даже небольших количеств таких веществ в качестве высокотеплоемких добавок (ВД) к сверхпроводникам позволит поднять критические энергии СМ на порядок, что даст возможность диссипации тепловых импульсов без переходов сверхпроводника в нормальное состояние.

Более того, введение ВД в состав обмотки может оказаться полезным в борьбе с еще одним видом возмущений - скачками магнитного потока. При выделении небольшого импульса тепла в обмотке магнита происходит локальный рост температуры, и критический ток сверхпроводника в затронутой возмущением области уменьшается. Если транспортный ток превышает новое значение 1с, часть сверхпроводника переходит в нормальное состояние и избыточный ток затухает на нормальном участке, а фронт магнитного поля перемещается на небольшое расстояние внутрь провода. В процессе движения магнитного потока в сверхпроводнике выделяется дополнительное количество тепла, в результате чего увеличивается температура, уменьшается критическая плотность тока и т. д. При определенных условиях рост температуры и движение магнитного потока могут принять лавинообразный характер -происходит скачок потока. Если сверхпроводящую проволоку сделать, достаточно тонкой 100 мкм), то скачки потока в ней не происходят даже в адиабатических условиях. Однако композитный сверхпроводник содержит большое число электрически связанных сверхпроводящих волокон. Под действием внешнего магнитного поля, а также собственного поля, создаваемого транспортным током, в композите возникают кооперативные токи. Подобная электрическая связь увеличивает вероятность коллективного скачка потока, захватывающего большое число волокон, и тем самым утрачивается основное преимущество разбиения сверхпроводника на тонкие волокна. Электрическую связь между волокнами в поперечном внешнем поле удается скомпенсировать за счет скручивания волокон, но при этом остается главная причина скачков потока — электрическая связь между волокнами, обусловленная собственным магнитным полем. Бороться с этим можно либо создав условия для отвода выделяющегося тепла (динамическая стабилизация); либо ограничив движение магнитного потока, связанное со снижением критической плотности тока (адиабатическая стабилизация) - в частности подняв удельную теплоемкость сверхпроводника.

Основные задачи:

С 2003 г. в Курчатовском институте совместно с ВНИИНМ им. академика A.A. Бочвара проводятся исследования, направленные на разработку различных методов внесения ВД в состав низкотемпературных СМ. Пройден путь от т.н. внешнего легирования (при котором порошки ВД вносятся в межвитковое пространство плотных обмоток в виде мелкодисперсных наполнителей эпоксидной смолы [17]), к «промежуточному» (медные провода с 1 или несколькими ВД жилами вводятся в состав токонесущих элементов совместно со стандартными композитными сверхпроводниками [33]) и внутреннему легированию (ВД жилы вводятся непосредственно в состав композитного сверхпроводника [41]). Эффект от введения ВД проверялся в многочисленных сериях экспериментов по определению: образцы с ВД (проводники, токонесущие элементы, модельные обмотки) и идентичные им контрольные образцы без добавок подвергались воздействию электромагнитных возмущений различной продолжительности и интенсивности, создаваемых разрядом конденсатора на возмущающие медные катушки. Минимальная энергия конденсаторной батареи, достаточная для перевода образца в нормальное состояние (критическая энергия возмущения) экспериментально подбиралась методом «проб и ошибок» для различных значений транспортного тока в образцах с добавками и без них.

Прямое сопоставление критических значений энергии конденсатора не дает информации о степени использования добавленной теплоемкости при возмущениях различной продолжительности, и также не позволяет сравнивать эффективность различных методов внесения добавок ни между собой, ни с другими способами повышения стабильности СМ (например, с непосредственным охлаждением сверхпроводника жидким гелием). Основной задачей диссертации является разработка численно-аналитических методов пересчета экспериментальных критических энергий возмущений в тепловыделения непосредственно в образцах, сводящаяся к расчету электрических потерь в композитных сверхпроводниках, токонесущих элементах и модельных соленоидах. Последующее сравнение с теоретически вычисленным приращением энтальпии образца позволяло судить о степени использования добавленной теплоемкости в условиях каждого конкретного эксперимента.

Цель работы:

- Разработка численно-аналитических методов определения критических энергий низкотемпературных сверхпроводящих обмоток и коротких образцов сверхпроводников (с ВД и без них), подвергающихся воздействию переменных магнитных полей различной конфигурации и ориентации по отношению к образцам.

- Применение разработанных методик, для пересчета измеренных экспериментально критических значений энергии возмущений в непосредственные тепловыделения в образцах, для последующего сравнения с их максимально теплопоглощающей способностью и составления выводов о степени использования добавленной теплоемкости.

- Анализ и сопоставление эффективности различных методов внесения ВД в состав низкотемпературных сверхпроводниковых магнитов по отношению к смоделированным возмущениям, продолжительность и интенсивность которых соответствует реальным механическим и электромагнитным процессам, происходящим в обмотках СМ.

Научная новизна: Несмотря на свою очевидность, метод энтальпийной стабилизации никем не был исследован в полной мере. Некоторые научные группы высказывали предположения о возможности использования высокотеплоемких соединений в качестве стабилизаторов СМ. Однако авторы либо ограничивались только предположениями, [12-14], либо сталкивались с экспериментальной проблемой неполного использования добавленной теплоемкости (по причине недостаточной скорости температурной диффузии от сверхпроводника к добавке), и, как следствие — непригодностью метода для демпфирования кратковременных тепловых возмущений [8,16].Так или иначе, все попытки исследования влияния ВД на стабильность СМ оставались незавершенными и не имели выходов к практическому внедрению:

Проведенные исследования, основные этапы которых изложены в. диссертации, направлены на поиск оптимальных методов внесения ВД в состав СМ. В настоящее время ведутся работы, направленные на получение опытно-промышленных партий ]ЧЬТ1 и 1ЧЬз8п сверхпроводников с внутренним легированием ВД. Подобные всесторонние (экспериментальные и расчетные) разработки ни в России, ни за рубежом на сегодняшний день не проводятся.

Достоверность полученных; результатов: Опыты по определению стабильности носили сравнительный характер - всегда присутствовал контрольный образец (проводник, обмотка), идентичный легированному, но не содержащий ВД. Удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных для контрольного образца свидетельствовало о верном выборе расчетной методики и сводило ошибку в расчетах к экспериментальной^погрешности.

Практическая ценность: Разработанные численно-аналитические методы определения стабильности модельных СМ и коротких образцов сверхпроводящих композитных проводов на основе N1)11 и №>з8п с внутренним и «промежуточным» легированием ВД позволили существенно углубить степень понимания полученных результатов.

Непосредственное сравнение экспериментальных критических энергий возмущений давало возможность лишь констатировать.во сколько раз возросла стабильность того или иного образца за счет введения добавки в условиях только этого конкретного эксперимента. Более того, в некоторых экспериментах прямое сравнение критических энергий Я-Ь-С контура было просто невозможным из-за того, что изготовленные образцы различались не только наличием либо отсутствием добавки^ но и другими физическими свойствами (например, комбинированные N1)14 сверхпроводники с «промежуточным» легированием содержали различное количество меди различной чистоты). Данные о непосредственных тепловыделениях в образцах с ВД и без них, полученные с помощью разработанных компьютерных кодов, уже позволяли:

- судить о степени использования добавленной теплоемкости при возмущениях различной продолжительности и интенсивности;

- непосредственно сравнивать эффективность различных методов внесения ВД в состав магнитов - как друг с другом, так и с другими методами повышения стабильности СМ, например за счет непосредственного контакта сверхпроводника с хладагентом;

- давать рекомендации к дальнейшему совершенствованию технологии внесения добавок.

Результаты исследований могут иметь широкое практическое применение: увеличение критических энергий СМ (как при внешнем, так и при внутреннем легировании ВД) позволит повысить рабочую плотность тока в обмотке СМ без снижения надежности его работы. Повышенная термомагнитная устойчивость проводов с внутренним легированием может решить проблему коллективных скачков магнитного потока в проводниках с высокими критическими токами (пример — многочисленные публикации о недостаточной термомагнитной устойчивости №>38п сверхпроводников, разрабатываемых для модернизации поворотных и фокусирующих магнитов Большого адронного коллайдера -программа «ЬАЯР» [46-50]). Как показывают оценки, повышение стабильности СМ компенсирует стоимость добавок и незначительное усложнение процесса изготовления теплостабилизированных проводников и обмоток.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Численно-аналитическая методика расчета тепловыделений в модельных СМ, намотанных из стандартных КГЬТл сверхпроводников с внешним легированием 5 об.% ВД 0с12028 и без него, подвергающихся импульсному воздействию переменного магнитного поля различной длительности и интенсивности, и результаты, полученные с ее помощью из экспериментальных данных.

2. Результаты исследования влияния метода внешнего легирования несколькими об.% ВД (СеСи6, НоСи2, 0с12028) на устойчивость сверхпроводящего состояния в 1\ИУП обмотках из стандартных композитных сверхпроводников и кабелей резерфордовского типа по отношению к максимально допустимым скоростям изменения собственного магнитного поля, полученные с помощью моделирования тепловых и электрических процессов и последующего сравнения с экспериментальными данными.

3. Численно-аналитическая методика расчета тепловыделений в коротких образцах комбинированных МэТ1 и Мз38п сверхпроводников с «промежуточным» и внутренним легированием различными ВД (СеСиб, НоСи2, РгВ6, СеАЬ, 0с12028), вызванных импульсным воздействием продольных электромагнитных возмущений (по длительности и энергиям соответствующих механотермическим) и результаты, полученные с ее помощью из экспериментальных данных.

4. Результаты исследования термомагнитной стабильности МэТл и МэзЭп сверхпроводников с внутренним легированием 5 - 7 об. % ВД Сс12028 и РгВ6 (близких по конструкции к проводам для обмоток Международного термоядерного реактора ИТЭР).

5. Результаты сравнительного исследования стабильности модельных магнитов из №>Т1 композитных проводов томографического типа с внутренним легированием 2 об % ВД Ос12Оз и без добавок.

6. Анализ эффективности различных методов внесения ВД в состав магнитов между собой и с непосредственным охлаждением сверхпроводника жидким гелием. Эквивалентность использования ВД увеличению критического температурного запаса СМ.

Апробация работы: Основные результаты работы были представлены на: конференциях США по прикладной сверхпроводимости (IEEE Transactions on Applied Superconductivity) 2005, 2006 гг.; конференции ИСФТТ РНЦ «КИ» по физике конденсированных сред и сверхпроводимости 2006; семинарах НИЦ «Курчатовский институт» по прикладной сверхпроводимости в 2007-2011 гг; 4-й всероссийской конференции по наноматериалам 2011г.

Публикации: Результаты исследований, изложенных в диссертации, опубликованы в 13 работах (10 из которых — в изданиях, рекомендуемых ВАК).

Структура и объём диссертации: Диссертация состоит из введения, литературного обзора, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертации составляет 133 страницы, включая 58 рисунков, 19 таблиц и списка литературы из 57 наименований.

ВЫВОДЫ

1. Разработан метод анализа устойчивости модельных сверхпроводниковых магнитов (СМ) из промышленно выпускаемых ЫМл сверхпроводников с внешним легированием 5 об.% высокотеплоемкой добавки (ВД) 0с12028 к воздействию электромагнитных импульсов различной продолжительности и интенсивности, позволяющий на основании экспериментальных данных определять степень использования теплоемкости обмотки в условиях каждого возмущающего режима. Прямые экспериментальные данные не давали информации о степени использования теплоемкости ВД, а также не позволяли сравнивать различные способы внесения добавок ни между собой, ни с другими методами повышения стабильности СМ.

2. С помощью разработанного программного кода определена характерная продолжительность возмущений, начиная с которой эффективность технологии внешнего легирования СМ ВД достигает 100%. Метод расчета основан на сопоставлении теоретической теплопоглощающей способности соленоида с электрическими потерями непосредственно в обмотке СМ. Электрические потери вычислялись по известным из эксперимента минимальным значениям энергии возмущающего Я-Ь-С контура, достаточной для перехода магнита в нормальное состояние.' Пороговое значение продолжительности возмущения т оказалось равно 20 мс. При более продолжительных возмущениях теплоемкость добавки использовалась- полностью, что соответствовало Зх кратному увеличению критических энергий магнита с ВД и оказалось эквивалентно 2х кратному увеличению критического запаса по температуре в сравнении с контрольным соленоидом без добавок.

3. Разработан метод расчета скоростных зависимостей токов перехода в нормальное состояние модельных ЫМл СМ из промышленно выпускаемых композитных сверхпроводников с внешним легированием ВД и без него. В результате сравнения расчетных кривых с известными экспериментальными данными обнаружено, что времена ввода тока в (0,1-100) с гарантируют полное использование добавленной теплоемкости, и введение 5 об.% ВД ОсЬСЬЗ в эпоксидную- смолу увеличивает токи перехода на 25-55 % при скоростях изменения собственного магнитного поля вплоть до 15 Тл/с. Показано, что использование ВД позволяет частично подавлять проявление термомагнитных неустойчивостей (наблюдаемых у контрольного магнита без добавок), даже несмотря на крайне малую продолжительность этих процессов (<100 мкс).

4. Разработан метод анализа устойчивости модельных соленоидов из NbTi кабелей Резерфордовского типа с внешним легированием ВД НоСи2 и CeCiiö и без него по отношению к максимально допустимым скоростям изменения собственного магнитного поля. Показано, что внешнее внесение 3 об.% ВД позволяет заметно увеличить допустимую скорость запитки магнитов (до 75% при dB/dt ~ 8 Тл/с). Полученные с помощью разработанных численно-аналитических кодов расчетные скоростные зависимости токов перехода в нормальное состояние находятся в хорошем согласии с экспериментом, что говорит о полном использовании добавленной теплоемкости при временах нарастания поля 1-30 с.

5. Создан автоматизированный программный код,. позволяющий определять критические энергии коротких образцов комбинированных NbTi сверхпроводников с «промежуточным» легированием различными ВД (CeCue, HoCu2, РгВб, СеА12, Gd202S), подвергающихся импульсному воздействию продольных электромагнитных возмущений по длительности и энергиям соответствующих механотермическим. Прямое сопоставление между собой экспериментальных значений критических энергий возмущающего R-L-C контура оказалось невозможным из-за существенного различия физических свойств образцов. Благодаря разработанным методам анализа экспериментальных данных обнаружено существенное увеличение стабильности легированных образцов — до 3,5 раз, по сравнению с образцом без добавок. Установлено, что технология «промежуточного» легирования позволила снизить время полного прогрева добавок с десятков миллисекунд (при внешнем легировании) до ~ 1 мс. Показано, что метод остается целесообразным и для хорошо охлаждаемых обмоток: при охлаждении половины периметра образцов с ВД жидким гелием максимальный рост их критических энергий составил 2,5 раза, по сравнению с контрольным образцом без добавок.

6. Разработан метод анализа устойчивости коротких образцов качественно нового типа сверхпроводников на основе NbTi и Nb3Sn с внутренним легированием 5 — 7 об. % ВД Gd202S* и РгВб (близких по конструкции к проводам для обмоток Международного термоядерного реактора ИТЭР) по отношению к электромагнитным импульсным возмущениям продолжительностью ~ 1 мс. При пересчете критических энергий возмущающего контура (известных из эксперимента) в электрические потери в образцах и последующем сопоставлении с их максимальной теплопоглощающей способностью обнаружено, что благодаря удачному размещению тонкий кольцевой ВД слой играл роль дополнительного теплового сопротивления между сверхпроводящей зоной и разогревающейся медной оболочкой. Критические энергии Nb3Sn сверхпроводника с ВД по сравнению с контрольным образцом без добавок возросли в 6 раз, минимальная индукция магнитного поля, при которой в проводнике возникали скачки магнитного потока - на 70 %. Увеличение стабильности NbTi проводников оказалось меньшим по причине низкой температуропроводности ВД жил, обусловленной их большим поперечным размером.

9. Numazawa Т., Yanagitani Т., Nozava H., et al. A New Ceramic Regenerator Material for 4 К Cryocoolers// Cryocoolers. New York. Kluwer Academic. Plenum Publishers.

2003. Vol. 12. P. 473-481.

10. Trevisani L., Kuriyama Т., Negrini F., et al., Performance Improvement of a Two-stage GM Cryocooler by Use of Er(Nio.o75Co0.925)2 Magnetic Refrigerator Material // Cryogenics 2002. Vol. 42. P. 653-657.

11. Молщаков B.B., Брандт Н.Б. Немагниные кондо-решетки// УФН. 1986. Т. 149. Вып. 4. С. 585-590.

12. Hancox R. Enthalpy stabilized superconducting magnets // IEEE Trans, on Magn. 1968. Vol. MAG-4. P. 486-488.

13. Rosenblum S., Steinberg H., Steyert W. IEEE Trans on magnetic MAG-13. 1977. P. 834.

14. Baynham D.E., Edwards V.W. and Wilson M.N. Transient stability of high current density superconducting wires // IEEE Trans, on Magn. 1987. Vol. 19. No 3. P. 676679.

15. Kwasnitza K., Barbisch В., Hulliger F. Metallic materials for superconductor stabilization with very high specific heat and good thermal conductivity// Cryogenics. 1983. Vol. 23. P. 649-652.

16. Barbisch В., Kwasnitza K. Experiments on enthalpy stabilization in technical superconductors // Proc ICEC.1984. Vol.10. P.689.

17. Алексеев П.А. и др. Сверхпроводящие обмотки (варианты) // Патент No 2254633 РФ. 2003.

18. Alekseev Р.А., et al. Experimental evidence of considerable stability increase in superconducting windings with extremely high specific heat substances// Cryogenics.

2004. Vol. 44. No 1. P. 763-766.

19. Morgan G.H.// Journal Appl. Phys. 1970"Vol. 41 P. 3673.

20. Брехна Г. Сверхпроводящие магнитные системы// Мир. Москва. 1976. С. 296313.

21. Carr W.J.// IEEE Trans, on Magnetics MAG-13. 1977. Vol.1. P. 192.

22.Кейлин B.E. Простое уравнение критической поверхности жестких сверхпроводников II рода// Д. А. Н. 263. 1982. No 1. С. 90-92.

49. Bordini В., Rossi L. Self field instability in high-Jc Nb3Sn strands with high copper residual resistivity ratio // IEEE Trans. Appl. Supercond. 2009. Vol. 19. No. 3, P. 2470.

50. Brazi E. et al. Development and study of Nb3Sn strands and cables for high field accelerator magnets // Advanced in Cryogenic Engineering: Transactions of the Cryogenic Engineering Materials conference - ICMC-2010. Vol. 56. P. 183-190.

51. HancoxR. //Phys. Lett. 1965. Vol. 16. No 3. P. 208-209.

52.Кейлин B.E. и др. Увеличение термомагнитной устойчивости комбинированных сверхпроводников с добавками веществ обладающих экстремально высокой теплоемкостью// Письма в ЖТФ. 2008. Том 34. Вып. 10. С. 28-33.

53. В.Е. Кейлин, И.А. Ковалев, C.JI. Круглов, В.И. Щербаков, Д.И. Шутова. Обнаружение значительного увеличения термомагнитной стабильности у многожильных сверхпроводников с внутренним легированием высокотеплоемкими добавками //ЖТФ. 2010. т. 80: вып. 2. Стр. 155-158.

54. Гуревич А.В., Рахманов A.JL, Минц Р.Т. // Физика композитных сверхпроводников// Москва. .Наука. 1987. стр. 126-139.

55. Круглов C.JII, Щербаков В.И. Динамика скачка потока в композитном сверхпроводнике //ЖТФ. 2002. т. 72. N 11. С. 121-124.

56. Lounasmaa O.V. Specific heat of gadolinium and ytterbium metals between* 0.4 and 4 K// Phys. Rev. 1962. Vol. 129. No 6. P. 2460-2464.

57. Hill R.W., et al. The specific heats of LaAg, GdAg and Gd203 from 0.5 to 22 К // J.Phys.C Solid State Phys. 1983.Vol.16. P. 2871-2880.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Р.А. Alekseev, A.I. Boev, V.E. Keilin, I.A. Kovalev, S.S. Kozub, E.A. Kostrov, S.L. Kruglov, V.N. Lazukov, I.P. Sadikov, D.I. Shutova. Influence of heat capacity substances doping on quench currents of fast ramped superconducting oval windings // Cryogenics. 2006. Vol. 46. P. 252-255.

2. I.I. Akimov, P.A. Alekseev, V.E. Keilin, I.A. Kovalev, S.L. Kruglov, E.A. Kostrov, V.N. Lazukov, M.I. Medvedev, I.P. Sadikov, A.K. Shikov, D.I. Shutova. Stability increase of NbTi conductors with additions of extremely large specific heat substances // IEEE Transactions on Applied Superconductivity conference 2006. Vol. 16. No 2. P. 1172-1175.

3. E.A. Костров, C.JI. Круглов, Д.И.- Шутова // Обнаружение значительного увеличения стабильности комбинированных сверхпроводников с добавками iMf

43$! веществ, обладающих экстремально высокой теплоемкостью // Препринт ИАЭ-6427/10 М. 2006.

4. P.A. Alekseev, V.E. Keilin, I.A. Kovalev, S.L. Kruglov, V.N. Lazukov, M.I. Medvedev, D.I. Shutova. Investigation of considerable stability increase of composite superconductors doped with extremely large heat capacity substances // Superconductor Science and Technology. 2007. Vol. 20. P. 71-76.

5. П.А. Алексеев, B.E. Кейлин, И.А. Ковалев, СЛ. Круглов, В.Н. Лазуков, М.И. Медведев, Д.И. Шутова. Обнаружение значительного увеличения стабильности комбинированных сверхпроводников с добавками веществ с чрезвычайно высокой теплоемкостью при.низких температурах //ЖТФ. 2007. т. 77. вып. 9. Стр. 48-53.

6. V.E. Keilin, I.A. Kovalev, S.L. Kruglov, D.I. Shutova. The influence of thermal disturbance duration on the stability of superconducting windings with extremely large heat capacity substances //Superconductor Science and Technology. 2008.Vol. 22. No 2.21 025018.

7. V.E. Keilin, I.A. Kovalev, S.L. Kruglov, A.E. Vorobjeva, M.I. Medvedev, A.K. Shikov, D.I. Shutova. Considerable stability increase of Nb3Sn multifilamentary wire internally doped with a large heat capacity substance (PrB6) // Superconductor Science and Technology. 2009.Vol. 22. No 8. 085007.

8. B.E. Кейлин, И.А. Ковалев, СЛ. Круглов, В.И. Щербаков, Д.И. Шутова. Обнаружение значительного увеличения термомагнитной стабильности у многожильных сверхпроводников с внутренним легированием высокотеплоемкими добавками //ЖТФ. 2010: т. 80. вып. 2. Стр. 155-158.

9. В.Е. Кейлин, И.А. Ковалев, СЛ. Круглов, Д.И. Шутова. Влияние легирования сверхпроводящих соленоидов высокотеплоемкими добавками на стабильность в динамических режимах //ЖТФ. 2010. т. 80. вып. 3. Стр. 115-117.

10. А.Е. Воробьева, В.Е. Кейлин, И.А. Ковалев, СЛ. Круглов, М.И. Медведев, Л.В. Потанина, Н.И. Салунин, А.К. Шиков, Д.И. Шутова. Исследование увеличения стабильности композитного NbTi сверхпроводника с добавкой высокотеплоемкого соединения Gd202S //ЖТФ. 2010. т. 80. вып. 10. Стр. 70-73.

11. В.Е. Кейлин, И.А. Ковалев, СЛ. Круглов, А.К. Шиков, Д.И. Шутова, А.Е. Воробьева, М.И. Медведев, Л.В. Потанина, Н.И. Салунин. Использование высокотеплоемких добавок для повышения стабильности сверхпроводящих магнитов (обзор экспериментальных результатов) // Препринт ИАЭ-6635/10. 2010.

12. В.Е. Кейлин, И.А. Ковалев, СЛ. Круглов, А.К. Шиков, Д.И. Шутова, А.Е. Воробьева, Л.В. Потанина, Н.И. Салунин. Разработка и исследование сверхпроводящих проводов и обмоток с добавками высокотеплоемких порошков // Сборник трудов 4й всероссийской конференции по наноматериалам «Нано-2011», секция 5 — Нанокомпозиты, стр.529.

13. V.E. Keilin, I.A. Kovalev, S.L. Kruglov, A.K. Shikov, D.I. Shutova, A.E. Vorobjeva, M.I. Medvedev, L.V. Potanina, N.I. Salunin. Utilization of large heat capacity substances for improving the stability of superconducting magnets // Cryogenics. 2011. Vol. 51. P. 359-365.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В Табл.4.1 обобщены основные результаты, полученные в ходе моделирования и теоретического анализа экспериментов по исследованию различных методов внесения ВД в состав СМ.

На рис.4.1 приведено сравнение результатов опытов по определению критических энергий сверхпроводников с внутренним легированием ВД с данными экспериментальной работы [14] 1987 года (авторы М. Wilson et all.), в которой проводились измерения устойчивости к кратковременным электромагнитным возмущениям (т ~ 0,1 мс) NbTi и NbsSn композитных проводников в адиабатических условиях и при наличии прямого охлаждения жидким гелием. Видно, что контакт с хладагентом позволяет до 10 раз увеличить критические энергии проводников, по сравнению с адиабатическим случаем. Поскольку условия проведения экспериментов, описанных в [14] и в наших работах [44, 45] различались по величине индукции внешнего магнитного поля и транспортным токам в образцах, сравнение проводилось по величине критических температурных запасов (левая часть Рисунка 4.1 отведена для NbTi проводников с ЛГс(/,£)= 0,25-1 К, правая - для Nb3Sn с ATC(I,B) = 1 - 4 К.

Кейлин и др(2009)

Критические энергии дляЫЬТ) и КЬЗБл проводников 5 условиях плотной обмотки с ( Ж , • ) И без ( Д , О ) внутреннего легирования ВД

0,25

0,75

ДТ (I, В), К

Рис.4.1 - Сравнение критических энергий композитных сверхпроводников с внутренним легированием ВД с данными работы [14], полученными на теплоизолированных и хорошо охлаждаемых №>Т1 и Мэ38п проводах.

Видно, что критические энергии N1)14 и МэзБп проводов без добавок из наших работ совпадают с измерениями, приведенными в работе [14] для хорошо теплоизолированных образцов. Прибавка к критической энергии теплоизолированных проводников за счет введения добавок оказалась заметной на фоне непосредственного охлаждения жидким гелием. С учетом преимуществ плотных обмоток, таких как высокая плотность тока, их механическая и электрическая прочность, выбор между легированием ВД и вводом в конструкцию каналов для хладагента становится, по крайней мере, дискуссионным вопросом.

NbTi вакуум

Попадание заряженных частиц шшш

Скачки потока

Тепловые течи

ДТ(1,В)=1

Увеличение стабильности за счет: охлаждения жидким гелием (Baynham et all [2]) внешнего легирования ВД ф внутреннего легирования ВД

NbTi+He

0.001 0.01 0.1

100 1000 1000

Время, мс

Рис.4.2 - Рост устойчивости проводников и обмоток на основе №>11 за счет легирования ВД и охлаждения жидким гелием по отношению к энергии типичных тепловых возмущений в СМ.

На рис.4.2 показан энергетический спектр возможных возмущений в СМ, предложенный профессором Ивасой (Массачусетский технологический университет, США) [3], на который наложены экспериментальные данные по росту критических энергий проводников и обмоток на основе NbTi, за счет различных методик легирования ВД при АТС(1,В)=\ К, а также прямого охлаждения жидким гелием [14].

Главный вывод из проведенных исследований заключается в том, что легирование низкотемпературных СМ высокотеплоемкими добавками может значительно увеличить их стабильность, снизить тренировку и ' т.д. Использование метода также позволяет поднимать инженерную плотность I тока, без снижения надежности работы СМ. Наиболее перспективным направлением является разработка технологии массового производства СП проводов с жилами ВД. По предварительным оценкам их цена по сравнению с обычными NbTi и Nb3Sn проводами возрастет незначительно (на 5-10 %).

Благодарности:

В заключении, хочу выразить благодарность моему научному руководителю - Круглову C.JI., а также проф. В.Е. Кейлину и И.А. Ковалеву за их постоянное внимание и неоценимую помощь в процессе работы по теме. Отдельное спасибо авторам идеи П. А. Алексееву, В.Н. Лазукову и И.П. Садикову, предложение которых положило начало отечественным разработкам по стабилизации сверхпроводниковых магнитов с помощью высокотеплоемких добавок. Спасибо всему большому коллективу Института Сверхпроводимости и физики твердого тела и ВНИИНМ им. академика A.A. Бочвара, благодаря объединенным усилиям которых тема сегодня развивается и находится на пороге внедрения в промышленное производство.