Переход - магнит
Cтраница 1
Переход магнита в нормальное состояние происходит при появлении в его обмотке областей с нормальным сопротивлением. Поскольку сверхпроводник в нормальном состоянии обладает высоким удельным электросопротивлением, при наличии в обмотке магнита тока большой плотности сверхпроводник в этих областях разогревается до температур, значительно превышающих его критическую температуру, причем размеры нормальных областей увеличиваются со временем. Этот необратимый процесс приводит к превращению всей запасенной в магните энергии, равной LIz / 2t в тепло. Для повторной запитки магнита током необходимо отключить источник питания и подождать, пока магнит снова не охладится до температуры жидкого гелия. [1]
Наибольший интерес представляет форсированный переход магнита в нормальное состояние до того, как ток в нем заметно уменьшится. [2]
Вычислим сначала параметры, характеризующие переход магнита в отсутствие вторичной обмотки. С учетом вкладов медной матрицы, сверхпроводника NbTi и межвитковой изоляции материал обмотки характеризуется следующими параметрами: U0 2 8 - 101в А2 - с / м4 и РО 1 12 - Ю-7 Ом - м при 60 500 К. [3]
Рассмотрим основные процессы, сопровождающие переход магнита в нормальное состояние, и различные способы защиты сверхпроводящих магнитов. [4]
Основной физический процесс, происходящий при переходе магнита в нормальное состояние, состоит в превращении запасенной им магнитной энергии в тепло. Если бы выделяемое тепло удалось равномерно распределить по обмотке магнита, то проблема разогрева, за редкими исключениями, не представляла бы серьезной опасности. [5]
В случае хорошего теплового контакта между обмоткой и каркасом влияние разогрева последнего на скорость перехода магнита может оказаться значительным. Чтобы оценить интервал времени, в течение которого произойдет полный переход магнита в нормальное состояние, необходимо вычислить энергию Es. Первоначальная запасенная энергия магнита равна Е0 L / 2 / 2 1 9 - 105 Дж. [6]
Из рисунка видно, что при всех температурах выше 4 2 К критическая плотность тока почти линейно убывает с ростом температуры 2) и обращается в нуль при критической температуре 6С, которая является убывающей функцией магнитного поля. Так как Jc с повышением температуры всегда уменьшается, переход магнита с током, равным критическому, в нормальное состояние начнется при сколь угодно малом повышении температуры. [7]
В обмотках крупных магнитов применяют провода значительного поперечного сечения с большими рабочими токами: чем больше магнит, тем больше сечение провода. Основная причина для этого заключается в необходимости ограничения напряжения вывода энергии при переходе магнита. Кроме того, при таком подходе снижается стоимость изготовления сбмотки, так как она содержит меньшее количество витков; прочность провода поЕышается, благодаря чему уменьшается вероятность случайного повреждения его в процессе изготовления магнита. Главным недостатком использования проводов больших сечений является возрастание потерь в токовводах и повышение стоимости источников тока, однако в больших системах ни один из этих факторов не влияет существенно на полную стоимость. [8]
 |
Распределение электрического напряжения вдоль обмотки сверхпроводящего магнита при образовании в нем нормальной зоны. [9] |
На самом деле ( рис. 9.2) высокий потенциал развивается внутри обмотки, где существует активная компонента напряжения, направленная навстречу индуктивной. Небольшая разность потенциалов между подводящими проводами обусловлена внутренним сопротивлением источника тока, который обычно автоматически отключается при переходе магнита в нормальное состояние. Но даже если это не произойдет, напряжение на источнике тока будет составлять всего лишь несколько вольт по сравнению с сотнями и, возможно, тысячами вольт в нормальной зоне. Поэтому напряжением источника можно пренебречь, но источник тока следует по возможности быстро отключить, чтобы не допустить длительного тепловыделения в обмотке и криостате. [10]
При введении тока в сверхпроводящие магниты, так же как и в обычные электромагниты, иногда приходится слышать издаваемые ими скрип, треск и звуки, напоминающие стоны. Многие исследователи вели запись этих звуковых сигналов и, как правило, наблюдали, что амплитуда и частота повторения сигналов возрастают по мере приближения тока к значению, при котором начинается переход магнита в нормальное состояние. В работе [5] было показано, что деградация и тренировка магнитов значительно уменьшаются при заполнении свободного пространства между витками обмотки различными веществами, при этом значительную роль играют механические свойства наполнителей. [11]
Существует вариант программы для простейшей электрической цепи, содержащей источник питания и ключ для замыкания магнита на внешнее омическое сопротивление ( разд. Другая модификация программы позволяет учесть вторичную замкнутую обмотку, индуктивно связанную с магнитом. После начала перехода магнита в нормальное состояние вторичная нормальная обмотка начинает разогреваться равномерно по объему, и при наличии хорошего теплового контакта между обмотками этот разогрев может заметно ускорить распространение нормальной зоны в основном магните ( разд. Наконец, с помощью программы QUENCH можно проанализировать задачу о защите магнита с помощью секционирования обмотки системой последовательно соединенных шунтов ( разд. [12]
Этот результат свидетельствует о важной роли точечных возмущений. Действительно, в случае возмущений большой протяженности удельное сопротивление и коэффициент теплопроводности не должны влиять на ток перехода магнита. [13]
 |
Намотка небольшого сверхпроводящего соленоида. ( Courtesy of Oxford Instrumet Co. Ltd. [14] |
Намотка катушек осуществляется с помощью стандартных намоточных станков, один из которых показан на рис. 13.1. В процессе намотки витки укладывают вплотную друг к другу для достижения максимального заполнения обмотки проводом. Слои обмотки прокладывают стеклотканью или изоляционной бумагой. В результате следующий слой ложится на ровную поверхность и, кроме того, исключается вероятность пробоя изоляции провода при переходе магнита в нормальное состояние. [15]
Страницы: 1 2