Что такое сверхпроводящие магниты. Как устроены сверхпроводящие магниты. Как работают сверхпроводящие магниты. Где применяются сверхпроводящие магниты. Какие преимущества у сверхпроводящих магнитов.
Что такое сверхпроводящие магниты и как они устроены
Сверхпроводящие магниты — это особый вид электромагнитов, в которых используются материалы, способные проводить электрический ток без сопротивления при очень низких температурах. Но как именно они устроены?
Основные компоненты сверхпроводящего магнита включают:
- Сверхпроводящую обмотку из специальных материалов (обычно сплавы ниобия)
- Криостат с жидким гелием для охлаждения обмотки до сверхнизких температур
- Силовую конструкцию для удержания обмотки
- Систему защиты от срыва сверхпроводимости
Обмотка изготавливается из тонких сверхпроводящих проводов, которые способны проводить очень большие токи без потерь. Для создания сильных полей используются сотни и тысячи витков провода.
Принцип работы сверхпроводящих магнитов
Как же работают эти уникальные устройства? Принцип действия сверхпроводящих магнитов основан на эффекте сверхпроводимости — способности некоторых материалов проводить ток без сопротивления при охлаждении ниже критической температуры.
Основные этапы работы:
- Обмотка охлаждается жидким гелием до температуры около 4 К
- При достижении сверхпроводящего состояния в обмотку подается ток
- Ток циркулирует в обмотке без затухания, создавая постоянное магнитное поле
- Поле поддерживается без дополнительного энергопотребления
Благодаря отсутствию сопротивления, в сверхпроводящих магнитах можно создавать очень сильные и стабильные магнитные поля при низком энергопотреблении.
Применение сверхпроводящих магнитов в науке и технике
Где же находят применение эти высокотехнологичные устройства? Сверхпроводящие магниты используются во многих областях науки и техники, где требуются сильные магнитные поля:
- Ускорители частиц (например, Большой адронный коллайдер)
- Магнитно-резонансные томографы
- Установки управляемого термоядерного синтеза
- Магнитные сепараторы
- Системы магнитной левитации
- Накопители энергии
Особенно широко сверхпроводящие магниты применяются в физике высоких энергий и медицинской диагностике. Они позволяют создавать рекордно сильные магнитные поля, недостижимые для обычных электромагнитов.
Преимущества и недостатки сверхпроводящих магнитов
Какие преимущества дает использование сверхпроводящих магнитов по сравнению с обычными? У этой технологии есть как сильные, так и слабые стороны.
Основные преимущества:
- Возможность создания очень сильных магнитных полей (до 20-30 Тесла)
- Низкое энергопотребление в установившемся режиме
- Высокая стабильность и однородность поля
- Компактные размеры при большой мощности
Основные недостатки:
- Необходимость глубокого охлаждения жидким гелием
- Высокая стоимость изготовления
- Риск срыва сверхпроводимости при превышении критических параметров
- Сложность конструкции и эксплуатации
Несмотря на определенные сложности, преимущества сверхпроводящих магнитов делают их незаменимыми во многих областях науки и техники.
Перспективы развития технологии сверхпроводящих магнитов
Каковы перспективы дальнейшего развития этой технологии? Основные направления совершенствования сверхпроводящих магнитов включают:
- Разработку новых высокотемпературных сверхпроводников
- Повышение критических параметров сверхпроводников (поля, тока, температуры)
- Создание более эффективных систем охлаждения
- Улучшение технологий изготовления и сборки магнитов
- Разработку новых конструкций магнитных систем
Прогресс в этих направлениях позволит создавать еще более мощные и эффективные сверхпроводящие магниты для решения новых научных и технических задач.
Конструкция современных сверхпроводящих магнитов
Как же устроены современные сверхпроводящие магниты? Рассмотрим основные элементы их конструкции:
Сверхпроводящая обмотка
Это ключевой элемент магнита, изготавливаемый из специальных сверхпроводящих материалов. Наиболее распространены сплавы на основе ниобия — Nb-Ti и Nb3Sn. Обмотка состоит из множества тонких жил сверхпроводника в медной или алюминиевой матрице.
Криостат
Система охлаждения, обеспечивающая сверхнизкую температуру обмотки. Обычно используется жидкий гелий при температуре 4.2 К или ниже. Криостат имеет сложную конструкцию с несколькими экранами для минимизации теплопритоков.
Силовая конструкция
Мощный каркас для удержания обмотки при воздействии огромных электромагнитных сил. Изготавливается из немагнитных материалов с высокой прочностью — нержавеющей стали, алюминиевых сплавов.
Система защиты
Комплекс устройств для быстрого вывода энергии магнитного поля в случае срыва сверхпроводимости. Включает резисторы, ключи, системы обнаружения нормальной зоны.
Все эти компоненты образуют сложную интегрированную конструкцию, обеспечивающую надежную работу магнита в экстремальных условиях.
Проблемы при эксплуатации сверхпроводящих магнитов
С какими сложностями сталкиваются при использовании сверхпроводящих магнитов? Основные проблемы связаны с поддержанием сверхпроводящего состояния:
Срыв сверхпроводимости
Это переход части или всей обмотки в нормальное состояние при превышении критических параметров. Приводит к быстрому нагреву и может вызвать повреждение магнита. Для защиты применяются сложные системы обнаружения и вывода энергии.
Деградация сверхпроводника
Постепенное ухудшение свойств сверхпроводника из-за термомеханических напряжений при работе. Может снижать максимально достижимое поле. Требует периодической тренировки магнита.
Утечки гелия
Потери дорогостоящего хладагента из-за несовершенства теплоизоляции. Приводят к повышению эксплуатационных расходов. Для минимизации применяются сложные многослойные криостаты.
Решение этих проблем требует применения сложных инженерных решений и высокой культуры эксплуатации магнитных систем.
Сверхпроводящие магниты. Устройство и работа. Применение
Сверхпроводящие магниты представлены особыми электромагнитами. У них магнитное поле создается электрическими токами, протекающими по сверхпроводнику в котором наблюдается минимальное или равное нулю сопротивление.
Главным условием для поддержания нулевого сопротивления является снижение температуры до определенного значения, которая зависит от материала сверхпроводника в обмотке. Для этого электромагнит помещается в сосуд Дьюара, который заполняется жидким гелием. Чтобы минимизировать испарение газа, емкость дополнительно окунается в еще один сосуд Дьюара, но уже с жидким азотом.
В данных условиях обмотка сверхпроводящего магнита имеет нулевое сопротивление. Даже если она замкнута наглухо, то подаваемый на нее электрический ток будет сохраняться как угодно долго. Благодаря тому, что ток не затухает и циркулирует в обмотке без пульсации, то магнитное поле получается однородным, что позволяет создавать оптимальные условия для проведения различных научных исследований.
Сверхпроводящий магнит обладает большой мощностью, благодаря чему диамагнитные материалы в радиусе действия его поля начинают парить в воздухе. Даже свинец, который не притягивается обычным магнитом, реагирует на сверхпроводящие устройства.
Самым интересным является факт реагирования на такое магнитное поле веществ из воды и углерода. Благодаря этому в воздухе начинают парить даже органические объекты небольшого веса. Эксперименты со сверхпроводящим магнитом позволили поднять магнитным полем в воздух мелких грызунов и лягушек. Чтобы обеспечить левитацию живых объектов малого размера, необходимо создать поле с индукцией в 16 Тл.
При повышении температуры сверхпроводящие устройства теряют свои свойства. Для изготовления обмотки магнитов используются различные сплавы ниобия. В частности, его соединяют с цирконием, титаном или оловом. Иногда используется сплав ванадия и галлия. В качестве усиления обмоточных материалов в электромагните применяется медь или алюминий. Жилы из них делают очень тонкими, что позволяет снизить тепловыделение.
В самих жилах из меди или алюминия используется от 5 до 50% сверхпроводника, процентное соотношение которого зависит от величины магнита. Обмотка уложена с зазорами таким образом, чтобы обеспечить эффективную циркуляцию жидкого гелия, обеспечивающего охлаждение устройства.
В обычных проводниках циркуляция энергии вызывает их нагрев. Это связано с тем, что атомы кристаллической решетки металла проводника сталкиваются между собой. В результате наблюдается потеря тока, который частично уходит в виде выброса тепла. Таким образом, для преодоления сопротивления требуется постоянно расходовать энергию не по основному предназначению. Сам ток переносится одиночными электронами. В сверхпроводниках передача энергии осуществляется спаренными электронами, так называемыми куперовскими парами. Они двигаются между кристаллической решетки металла проводника без сопротивления, что исключает потери энергии и не вызывает нагревание.
Запуск магнитаСверхпроводящие магниты для обеспечения работы требуют проведения особого запуска.
Сначала в них включается специальный нагреватель, который располагается на замыкающей обмотке. Он повышает температуру провода до его критической температуры, в результате чего цепь теряет свою сверхпроводимость. После достижения тока необходимой величины происходит отключение нагревателя. Далее цепь охлаждается, и приобретает свойства сверхпроводника. Как только набирается необходимая низкая температура, то питание снижается до нуля, при этом в обмотке сверхпроводящего магнита начинает циркулировать не затухающий ток.
Магнит обладающий свойствами сверхпроводника позволяет выдавать мощность поля до 200 кгс. Самым большим сверхпроводящим устройством является магнит, который был применен в 2014 году как центральная часть Большого адронного коллайдера. Несмотря на огромную мощность сверхпроводящих магнитов, затраты на их питание более чем в 500 раз меньше, чем при использовании обычных электромагнитов с аналогичной мощностью поля.
Обычно сверхпроводящие магниты применяются в исследовательских целях для изучения электрических и оптических свойств различных веществ. Современные эксперименты по исследованию плазмы, а также элементарных частиц, проводятся в условиях поля созданного такими магнитами. Помимо лабораторного применения, магниты меньшей мощности используются в радиолокации.
В перспективе можно отметить, что вполне возможно и использование подобных устройств в качестве индуктивного накопителя энергии, который в отличие от обыкновенных батарей питания может сохранять заряд неограниченное время. Пока применение магнитов в данном направлении не нашло широкого распространения, но нельзя сказать, что попыток не было. Так, в ТОКАМАКе (устройстве для магнитного удержания плазмы) происходит накопление 600 МДж энергии, что составляет 166 кВт.
Более высокий показатель имеет проект международного экспериментального термоядерного редуктора ИТЭР, в котором накапливается 11000 кВт.
Использование сверхпроводящих магнитов нашло своего применение и в бытовой жизни. Именно эти устройства ставят для обеспечения работы поездов на магнитной подушке. Данный транспорт двигается над монорельсой, при этом составы удерживаются в воздухе, не касаясь дорожного полотна. Поезда на магнитной подушке развивают большую скорость благодаря отсутствию трения. Они отличаются высоким уровнем безопасности, что обусловлено надежностью сверхпроводящих магнитов.
Хотя данные конструкции действительно надежные, но все же не являются безотказными. Так в 2007 году поставленный на Большой адронный коллайдер сверхпроводящий магнит стал причиной недобора проектной энергии. Как выявилось позже, причина крылась в плохом качестве электрических контактов. Всего на коллайдере используется 1232 сверхпроводящих магнита.
Сверхпроводящие магниты также применяются в конструкции ЯМР-томографов, которые используются в биологии и медицине для исследования белков.
Под воздействием сильного магнитного поля возможно создать трехмерную проекцию структуры белка. Подобные магниты входят и в конструкцию спектрометров. Их применяют в термоядерных реакторах, а также практически всех установках, которые обеспечивают левитацию.Сверхпроводящие магниты являются перспективными устройствами, которые постоянно совершенствуются. При их создании применяются все новые и новые сверхпроводники, создаваемые учеными экспериментально. Это позволяет снижать энергетические затраты на питание самих магнитов, а также достигать высокой мощности при уменьшенных габаритах устройств. Существующие сейчас установки отличаются большим весом и размерами, а также дороговизной изготовления, поэтому медленно внедряются в бытовую жизнь.
Похожие темы:
- Эффект Бифельда-Брауна. Работа и применение. Особенности
- Гистерезис в электротехнике. Магнитные свойства веществ
- Неодимовые магниты. Устройство и применение. Виды
- Мендосинский мотор. Виды и устройство.
Работа и применение - Плазма. Свойства и получение. Применение и отличие. Особенности
Работа и применениеИТЭР: сверхпроводящие магниты, часть первая.
Практически любая научно-популярная статья про токамак начинается с объяснения на пальцах идеи “магнитной бутылки для плазмы”. Некоторые, особо настырные журналисты, доходят и до изложения важной мысли, что мощность термоядерного горения очень быстро (как четвертая степень величины) увеличивается с напряженностью магнитного поля и как квадрат размеров вакуумной камеры. Из этого следует, что токамакам нужны самые мощные и большие магниты. Настолько большие и мощные, что когда физики показывают их параметры инженерам, последние крутят пальцами у виска.
Оперируя сухими цифрами, очень сложно передать ощущение инженеров. Но давайте возьмем один из ключевых магнитов ИТЭР — катушку тороидального поля. 134 витка провода с током в 68 тысяч ампер создают поле, которое способно удерживать в воздухе, например, вот такой кораблик.
…весом в 30 тысяч тонн. Ну или еще одно сравнение — энергии, запасенная в магнитной системе ИТЭР, хватило бы для питания типичной российской квартиры в течении 6,5 лет (всего 12 тонн бензина, если кому интересно).
А вот и сама катушка — на этом рендере она синяя.
Однако вернемся в суровые инженерные будни. Магниты ИТЭР превосходят по запасаемой энергии предыдущих рекордсменов (кстати, это был Большой Адронный Коллайдер длинной 27 километров) в 5 раз, а по совокупной технической сложности пожалуй что раз эдак в 50. Проблематикой является так же то, что кроме задачи разработать магнит, лежащий далеко за пределами сделанного на сегодняшний день, во весь рост стояла и задача его изготовить — в промышленности просто не было многих необходимых техпроцессов или они были освоены в лабораторных масштабах. В итоге, магнитная система потребовала 15 лет разработок, исследований, строительства промышленности.
Она обойдется в почти 20% от общей стоимости реактора.
Однако факт, что сегодня магниты ИТЭР являются самым далеко зашедшим в производстве компонентом токамака — построены десятки производственных объектов по всему миру, изготовлены сотни тонн компонентов магнитной системы. Обратной (хотя приятной) стороной этого является гигантский объем информации, как по технологиям и разработкам, так и по промышленному воплощению их, поэтому я разобью статью на две части.
Начнем, пожалуй, с рассказа о том, что такое сверхпроводимость и почему она используется для магнитов ИТЭР. Итак, еще в 1911 году было обнаружено свойство некоторых металлов при глубоком охлаждении терять электрическое сопротивление. Такое состояние теоретически позволяет создавать “бесплатные”, не затрачивающие энергию мощные магниты просто наматывая витки сверхпроводящего материала в катушку и создавая в нем “вечный” ток. В реальности, сверхпроводящее состояние многих материалов исчезает в сильном магнитном поле и/или при пропускании сильного тока.
На наше счастье, в 60-х были открыты сверхпроводники на базе металла ниобия, которые сохраняли нулевое сопротивление в довольно сильных полях и токах. Эти соединения — ниобат титана NbTi, работающий до полей 6-7 Тесла и станнид ниобия Nb3Sn позволяющий создавать поля до 14-15 Тесла. Для сравнения, в классической медной катушке технически крайне сложно создать поле выше 1,5-2 Тесла, и давление такого поля оказывается в 100 раз меньше, чем у 15-ти теслового (давление магнитного поля зависит от его напряженности как квадрат). Сегодня, кстати, есть еще более высокопольные и крутые высокотемпературные сверхпроводники типа YCBO и Bi-2223.
Сверхпроводяший и медный кабель на одинаковый ток. Причем медный на такой ток тоже приходится охлаждать.
Ниобиевые сверхпроводники открыли возможности по созданию принципиально новой электротехники. Почему же мы не видим их нигде, кроме как в уникальных научных установках, которые “за ценой не постоят”? Тому есть три причины.
Во-первых, как и все известные в 60х сверхпроводники, ниобиевые требуют для работы температур жидкого гелия, а если можно — то и ниже. Сказать, что такое охлаждение не дешево — ничего не сказать, на каждый джоуль притекшего к нашему магниту извне или изнутри тепла мы вынуждены будем потратить от 250 до 500 джоулей на работу нашей холодильной установки.
Во-вторых соединения ниобия оказались довольно хрупкими веществами, и если титанат ниобия чем-то похож на стекло, и может быть использован в проводнике в виде пучка очень тонких волокон в матрице (например медной), то любые попытки изготовить какие-то гибкие волокна из Nb3Sn потерпели неудачу. Для получения сверхпроводника из этого материала используют следующую технологию: кабель собирается из нитей меди, олова и ниобия, наматывается в форме будущего магнита, затем нагревается до 650 градусов и в нем происходит химическая реакция с образованием Nb3Sn. После этого такой кабель практически нельзя изгибать, что бы не допустить разрушения филаментов этого хрупкого материала.
О запредельной нетехнологичности таких магнитов можно догадываться.
Ну и последним аспектом стало то, что большие магнитные поля несут с собой большие механические напряжения связанные с силой Ампера между витками проводника и силой Лоренца между проводником и объектом применения магнитного поля. При этом хрупкость сверхпроводника означает его разрушение под влиянием циклических перемещений. Фактически получалось так, что это не позволило проектировать магниты так же, как и медные.
Электротехническая промышленность довольно быстро перевела сверхпроводниковые машины (двигатели, трансформаторы, генераторы, магниты) в область “прекрасного далека”, и только запросы от науки позволили постепенно понять, как решать вышеописанные задачи. Сверхпроводящие системы оказались высокотехнологичной, почти космической отраслью, а магниты для ИТЭР — своеобразным “полетом на Марс” для этой отрасли.
Давайте посмотрим на магнитную систему ITER поближе и разберемся, откуда берутся такие сложности.
Магнитную систему токамака можно разделить на следующие составляющие:
Зоопарк ИТЭРовских катушек. Человек, к сожалению, для масштаба не нарисован, но размер системы в сборе — 25 x 17 метров.
1. 18 вертикально расположенных катушек тороидального поля TF и 6 горизонтально катушек полоидального поля PF создают магнитную “авоську” для удержания плазмы
2. Центральный соленоид CS создает изменяющееся магнитное поле, наводящее в плазме ток, которым она взаимодействует с магнитным полем из пункта 1 и это необходимый элемент системы магнитного удержания.
3. 18 корректирующих катушек CC — относительно слаботочные катушки, используемые для выравнивания ошибок поля основных катушек и для управления положением плазмы внутри токамака
4. 31 токовый фидер, передающие ток с внешних “теплых” шин, по высокотермпературной сверхпроводящей линии на криогенные проводники катушек.
Итак, начем с более простых элементов на базе NbTi. Это хорошо исследованный, относительно широко используемый и не очень дорогой сверхпроводник. Обычно он используется в виде провода, состоящего их тончайших нитий титаната ниобия в медной или алюминиевой матрице, причем в лучших образцах провода получается до 10 тысяч нитей в проводнике диаметром ~1 мм. Такой провод способен пропустить без потерь до 500 ампер. Для получения такого, фактически нанокомпозита используется довольно изощренная технология
Продукт 40 летней работы технологов. А вот здесь сборка перед волочением, еще.
Стоимость такого провода на рынке составляет порядка 500 долларов за килограмм, однако если бы не вопрос охлаждения до экстремальных температур, то такой проводник по затратам был бы вполне конкурентен с медью! Для иэтровских магнитов такие стрэнды являются базисом. В принципе из них можно было бы набрать целиком магнит, и залить его целиком в жидкий гелий, если бы не два но: магнитные силы порвут проводник, если дать возможность ему свободно перемещаться, и сложно совместить необходимость изоляции отдельных стрендов и их хорошее охлаждение.
Поэтому для крупных магнитов используется концепция кабеля-проводника. Сверхпроводящие проволочки последовательно скручивают в все более укрупняющие сборки, пока не получится кабель, состоящий из нескольких сотен стрэндов. В центре кабеля располагается канал для прокачки жидкого гелия, между проводниками тоже оставлено пустое пространство, что бы хладогент мог спокойно обтекать каждый стрэнд. Снаружи кабель упакован (или джекетирован) в силовую оболочку из нержавеющей стали, которая снимает напряжение с сверхпроводника и герметизирует канал жидкого гелия. Поскольку усилия на единичный кабель могут достигать десятков тонн, то используется весьма толстостенная оболочка — и это очередная технологическая сложность на пути создания магнитов ИТЭР. Размер получаемого проводника примерно 40х40 мм, и при температуре 4,5 К он способен нести ток в 50 килоампер и создавать поле до 6,5 Т.
Так сматывают российский сверхпроводник на итальянской линии.
Срезы стренда (слева) и кабеля PF на базе таких стрендов.
Кстати. задумайтесь о том, как собирается кабель в толстой стальной оболочке — вам нужно собрать прямую стальную трубу, затянуть туда тросом его внутренность и обжать на стане трубу вокруг кабеля, что бы они плотно соединились. При этом, если в вас кабель длиной 800 метров, то вам нужна линия для затягивания кабеля длинной 800 метров! Затем нужно смотать этот кабель на специальном трубогибном станке на шпульку. Для производства кабелей ИТЭР пришлось создать 5 таких линий, в т.ч. одну в России, о чем я подробнее расскажу в следующей части.
Конструкция проводника для катушек TF
После того, как мы произвели необходимое количество кабеля (для магнитов ИТЭР надо, например, почти 200 км кабеля-проводника) его необходимо намотать в соленоида — многослойной катушки. PF катушки ИТЭР будут иметь сечение примерно 1х1 метр, навиваться из 250-350 витков кабеля.
Для самой маленькой катушки PF1, производство которой стартует в июне на мощностях Средне-Невского Судостроительного завода в Питере потребуется 16 длин по ~450 метров, которые будут укладываться в двухслойные “блины”. Оборудование навивки довольно сложное — нужно синхронно вращать стол, изгибать кабель автоматизированным трубогибом так, что бы он ложился в нужное место и еще попутно обматывать кабель изоляцией.
Собранная PF1. Штуки по бокам — это соединения отдельных слоев катушки межту собой.
Намоточный стол. Синхронно работает 2 размотчика, 2 трубогиба, стол и изолирующие головки.
А так это выглядит в реальности — испытания оборудования, февраль 2015 года.
Кстати, изоляция — еще один технологический моментик. Межвитковое напряжение в PF может достигать киловольта, а «межблиновое» — 5 киловольт. При этом изоляция должна проработать 30 лет в условиях термо- и механического циклирования, вакуума и радиации.
По результатам испытаний для всех сверхпроводящих кабелей была выбрана намотка чередующимися слоями стекловолокна и полиамида, с последующей пропиткой стекловолокна эпоксидной смолой. После того, как мы собрали двухслойный блин, его надо дополнительно обмотать стекловолокном (это нужно как для изоляции, так и для стабилизации и укрепления) и пропитать смолой — это делается в специальной вакуумной камере, что бы в изоляции не осталось пузырьков воздуха.
Отработочный макет для изоляции и вакуумной пропитки.
8 таких блинов складываются в 16-слойную катушку — после чего будут выполнены соединения сверхпроводящего кабеля (кстати, еще один довольно высокотехнологичный элемент) в единую электрическую систему, на катушку установят силовые элементы и множество трубок для прокачки охлаждающего гелия. В 2017 году 200 тонный магнит будет погружен на баржу и отправится в Карадаш.
Причем баржа уже давно готова.
Однако PF1 диаметром 9 метров — самая маленькая катушка из 6 магнитов полоидального поля.
Она и катушка PF6, строительство линии намотки которой началась несколько месяцев назад в Китае, будут производится как и остальные компоненты ITER где-то далеко от Карадаша, однако для катушек PF2 — PF5 такой фокус не возможен — их диаметры в 18 и 25 метров слишком велики для доставки. Поэтому на площадке ИТЭР был возведен завод для намотки и сборки этих 4 катушек. Размер линии — 250х40 метров, и как не странно, это было первое здание на площадке, законченное еще в 2012 году. Однако благодоря европейским бюрократам и сокращению бюджета — производство критически важной PF5 (без которой невозможно начать сборку тороидальной части ИТЭР, см) начнется не раньше чем в конце 2016 года. Впрочем, благодаря им же, строительство зданий токамака все равно не закончится раньше конца 2018 года, так что катушка может поспеть вовремя. В целом же, все PF будут производится по примерно одинаковой технологии, различаясь лишь слегка количеством меди в кабеле и размерами.
По планам 2009 года, здесь кипит производство катушек полоидального поля.
Что ж, в следующей серии мы поговорим о еще более грандиозных сильнопольных магнитах систем тороидального поля и центрального соленоида.
Как тренируют магниты • Устройство Большого адронного коллайдера
Срыв сверхпроводимости
В экспериментах на адронных коллайдерах физики стремятся достичь как можно большей энергии протонов. Чем больше энергия, тем более тяжелые частицы можно открыть, тем более тонкие эффекты Новой физики станут доступны для наблюдения и тем более вероятными становятся редкие процессы. Для ускорительной техники разогнать частицы до сверхбольших энергий — не проблема. Главная трудность — удержать такие частицы на орбите внутри ускорительного кольца. Отвечают за это дипольные магниты (рис. 1), которые с помощью сильного магнитного поля отклоняют пролетающий сгусток частиц на небольшой угол. Много таких магнитов, выставленных вдоль траектории, и удерживают частицы на орбите.
В Большом адронном коллайдере вдоль всего 27-километрового ускорительного кольца стоят 1232 дипольных магнита. Они были изготовлены с таким расчетом, чтобы при охлаждении до температуры 1,9 K держать ток 12 килоампер, создавая тем самым магнитное поле индукции 8,3 тесла, что отвечает протонам с энергией 7 ТэВ. Магниты эти — сверхпроводящие, поэтому ток в обмотках циркулирует не затухая, и никаких потерь энергии при этом не происходит. Однако 12 кА — это лишь расчетное значение тока. Когда магниты прибывают на место и включаются в работу, то выясняется, что они столь сильный ток держать не могут — в них происходит срыв сверхпроводимости (в английской терминологии — quench). В каком-то месте обмотки металл переходит из сверхпроводящего в нормальное состояние с ненулевым сопротивлением и под действием сильного тока резко нагревается. Вся запасенная в магните энергия — а это 7 МДж — готова тут же, за долю секунды, выделиться в виде тепла. Если бы не специальная предохраняющая система, которая в экстренной ситуации принимает на себя весь «энергетический удар», электромагнит попросту разрушился бы.
Благодаря защитной системе срыв сверхпроводимости не является критическим событием, но, тем не менее, он неприятен по двум причинам. Во-первых, он не позволяет техникам поднять до расчетного значения силу тока, а значит, и энергию протонов. Именно поэтому во время первого трехлетнего сеанса работы LHC энергия протонов составляла лишь половину проектной — 4 ТэВ против расчетных 7 ТэВ. Оказалось, что некоторые магниты просто не были готовы к тому, чтобы держать в себе 12 кА.
Возможно, энергию протонов можно было бы поднять еще чуть-чуть, но тут возникает вторая проблема. Магнит слишком долго «приходит в себя» после каждого события срыва сверхпроводимости. На рис. 2 наглядно показано, как восстанавливается цепочка магнитов после срыва. Во время тестов в секторе 67 при токе почти 11 кА произошел срыв сразу в нескольких магнитах. Полное энерговыделение в этом событии составило 23,5 МДж (достаточно, чтобы моментально испарить несколько килограммов меди). Благодаря защитной системе температура в магнитах подскочила только на пару десятков градусов, механические напряжения — до десятков атмосфер.
Магниты затем вновь были охлаждены и наполнены сверхтекучим гелием, но занял этот процесс 10 часов!
Становится понятно, что даже если срывы сверхпроводимости не являются фатальными, очень желательно минимизировать их количество. Ведь каждый срыв во время работы коллайдера приводит к экстренному сбросу пучка, охлаждению магнитов, за которым последует новый цикл подготовки и ускорения пучка, и только потом возобновятся столкновения. В результате будут потеряны примерно сутки рабочего времени. Так что, если срывы начнут случаться раз в неделю или чаще, это существенно сократит рабочее время ускорителя. Значит, для эффективной работы требуется, чтобы магниты работали не на пределе, а могли держать чуть больший ток, чем требуется для работы, и тогда в нормальной ситуации они вообще не должны срываться.
Тренировка магнитов
Тот факт, что сверхпроводящий магнит, изготовленный с расчетом на определенный ток, в реальности его не держит, — это нормальная ситуация. Зато после изготовления эти магниты можно натренировать так, чтобы они держали ток вплоть до расчетного.
Дело в том, что при изготовлении магнитов всегда возникают микроскопические неоднородности материала или чуть-чуть смещаются провода при намотке. Эти отклонения от идеала приводят к тому, что магнитное поле внутри не однородно, а где-то чуть больше, где-то чуть меньше. К тому же при повышении тока в магните возникают сильные механические напряжения, которые слегка деформируют материал, и эта энергия деформации может локально выбрасываться в форме небольшого тепловыделения. В результате в отдельных местах магнитное поле может превысить критическое даже тогда, когда ток в магните еще далек от расчетного. В этот момент и наступает срыв сверхпроводимости.
Тренировка магнита — это аккуратное прохождение нескольких циклов повышения тока вплоть до срыва сверхпроводимости. Опыт показывает, что после каждого срыва магнит слегка «исправляется» и на следующем цикле он может держать чуть больший ток, чем до этого. Микроскопический механизм этого процесса исследован не до конца, но, в общих словах, во время каждого цикла материал внутри магнита чуть смещается, зоны напряжения рассасываются, что и оптимизирует магнитное поле.
Типичный пример эволюции магнитов показан на рис. 3 на примере сектора 6–7. За 20 циклов нагрузки и срыва максимальный ток поднялся примерно на 10% и достиг цели 11 кА, отвечающей пучкам 6,5 ТэВ.
Дополнительные ссылки:
- A. V. Tollestrup. Care and training of superconducting magnets // FERMILAB-UPC-139 (1980).
- L. Rossi, L. Bottura. Superconducting magnets for particle accelerators // Rev. Accel. Sci. Technol. 05 (2012) 30003.
Сверхпроводящие магниты — ООО «УК Энерготехсервис»
Ученые из Национальной лаборатории высокого магнитного поля (MagLab) при Университете штата Флорида (США) создали самый мощный в мире сверхпроводящий магнит.
Устройство диаметром не больше сантиметра и размером не больше ролика для туалетной бумаги (не знаю почему, но создатели проводят именно такую аналогию) способно генерировать рекордную напряженность магнитного поля в 45,5 тесла.
Это более чем в 20 раз мощнее магнитов больничных аппаратов магнитно-резонансной томографии.
Отмечается, что ранее только импульсные магниты, способные поддерживать магнитное поле в течение доли секунды, достигали более высокой интенсивности.
Создателем магнита является инженер MagLab Санъйон Хан. О том, как ему и его команде это удалось, сообщает статья, опубликованная в журнале Nature. По словам специалистов, они использовали новые материалы для сверхпроводника и магнита, чтобы добиться таких показателей.
На самом деле исследователи создали сразу два рекордных магнита. Тестовый использует купратные сверхпроводники из сплава на основе ниобия.
Он способен генерировать магнитного поля напряженностью 45 тесла и при этом потребляет небольшое количество энергии.
По словам ученых, ранее созданные магниты на основе купрата были слишком хрупкими для использования в технологических приложениях, но новые магниты должны выдерживать напряженность поля до 60 тесла.
Из чего сделан самый мощный сверхпроводящий магнит?
Для рекордного магнита, способного создавать поле напряженностью 45,5 тесла, сверхпроводники были выполнены из нового соединения, получившего название REBCO (в его основе используется оксид редкоземельного бария-меди) и способного пропускать в два раза больше тока, по сравнению с другими сверхпроводниками, использовавшимися для создания рекордных магнитов.
Благодаря этому новый магнит способен создавать гораздо более сильное магнитное поле.
Современные электромагниты содержат изоляцию между проводящими слоями, которая направляет ток по наиболее эффективному пути. Но это также добавляет вес и объем.
Инновация Хана: сверхпроводящий магнит без изоляции. Помимо более удачного дизайна, такой вариант позволяет защитить магнит от неисправности, так называемого срыва поля.
Он может происходить, когда имеющиеся в проводнике повреждения или дефекты блокируют движение тока в назначенное место, вызывая нагрев материала и потерю его сверхпроводящих свойств.
При отсутствии изоляции ток в таком случае просто идет другим путем, предотвращая срыв.
Отмечается, что создаваемая напряженность поля нового магнита превысила напряженность энергоемких резистивных магнитов, которые не используют сверхпроводники, а также обычных сверхпроводниковых магнитов и гибридных сверхпроводящих резистивных магнитов.
«Тот факт, что слои катушки не изолированы друг от друга означает, что они могут легко и эффективно передавать ток между собой, чтобы тот мог обойти любое препятствие на своем пути», — объясняет соавтор исследования Дэвид Ларбалтье.
Для чего нужны сверхпроводящие магниты?
Подобные сверхпроводящие магниты необходимы для работы целого ряда различных устройств, от МРТ-аппаратов до высокоскоростных транспортных систем и термоядерных реакторов. Ожидается, что сверхпроводящие магниты могут продвинуть исследования в разных научных сферах.
Обсудить новость можно в нашем Telegram-чате.
Сверхпроводящие магниты
Магнит сверхпроводящий, соленоид или электромагнит с обмоткой из сверхпроводящего материала. Обмотка в состоянии сверхпроводимости обладает нулевым омическим сопротивлением.
Если такая обмотка замкнута накоротко, то наведённый в ней электрический ток сохраняется практически сколь угодно долго.
Магнитное поле незатухающего тока, циркулирующего по обмотке Магнит сверхпроводящий, исключительно стабильно и лишено пульсаций, что важно для ряда приложений в научных исследованиях и технике.
Магнит сверхпроводящий теряет свойство сверхпроводимости при повышении температуры выше критической температуры Тк сверхпроводника, при достижении в обмотке критического тока Ik или критического магнитного поля Нк. Учитывая это, для обмоток Магнит сверхпроводящий применяют материалы с высокими значениями Тк, Ik и Нк (см. таблицу).
Свойства сверхпроводящих материалов, применяемых для обмоток сверхпроводящих магнитов
| Материал | HK при 4,2 K, кэ | Критическая температура TK, K | Критическая плотность тока (а/см2) в магнитном поле | |||
| 50 кгс | 100 кгс | 150 кгс | 200 кгс | |||
| Сплав ниобий – цирконий | (Nb 50% – Zr 50%) | 90 | 10,5 | 1·105 | 0 | 0 |
| Сплав ниобий – титан | (Nb 50% – Ti 50%) | 120 | 9,8 | 3·105 | 1·104 | 0 |
| Сплав ниобий – олово (Nb3Sn) | 245 | 18,1 | (1,5–2)·106 | 1·106 | (0,7–1)·105 | (3–5)·104 |
| Соединение ванадий – галлий (V3Ga) | 210 | 14,5 | 1·106 | (2–3)·105 | (1,5–2)·105 | (3–5)·104 |
Для стабилизации тока в обмотке Магнит сверхпроводящий (предотвращения потери сверхпроводимости отдельными её участками) сверхпроводящие обмоточные материалы выпускаются в виде проводов и шин, состоящих из тонких жил сверхпроводника в матрице нормального металла с высокой электро- и теплопроводностью (медь или алюминий).
Жилы делают не толще нескольких десятков мкм, что снижает тепловыделение в обмотке при проникновении в неё растущего с током магнитного поля. Кроме того, весь проводник при изготовлении скручивают вдоль оси (рис. 1а, 1б), что способствует уменьшению токов, наводящихся в сверхпроводящих жилах и замыкающихся через металл матрицы. Обмоточные материалы из хрупких интерметаллических соединений Nb3Sn и V3Ga выпускают в виде лент из Nb или V толщиной 10 — 20 мкм со слоями интерметаллида (2-3 мкм) на обеих поверхностях. Такая лента для стабилизации сверхпроводящего тока и упрочнения покрывается тонким слоем меди или нержавеющей стали.
Сравнительно небольшие Магнит сверхпроводящий (с энергией магнитного поля до нескольких сотен кдж) изготавливают с плотно намотанной обмоткой, содержащей 30-50% сверхпроводника в сечении провода.
У крупных Магнит сверхпроводящий, с энергией поля в десятки и сотни Мдж, проводники (шины) в своём сечении содержат 5-10% сверхпроводника, а в обмотке предусматриваются каналы, обеспечивающие надёжное охлаждение витков жидким гелием.
Электромагнитное взаимодействие витков соленоида создаёт механические напряжения в обмотке, которые в случае длинного соленоида с полем ~100 кгс эквивалентны внутреннему давлению ~ 400 am (3,9Ч107 н/м2).
Обычно для придания Магнит сверхпроводящий необходимой механической прочности применяют специальные бандажи (рис. 2).
В принципе, механические напряжения могут быть значительно снижены такой укладкой витков обмотки, при которой линии тока совпадают с силовыми линиями магнитного поля всей системы в целом (так называемая “бессиловая” конфигурация обмотки).
При создании в обмотке Магнит сверхпроводящий электрического тока требуемой величины сначала включают нагреватель, расположенный на замыкающем обмотку сверхпроводящем проводе.
Нагреватель повышает температуру замыкающего провода выше его Тк, и цепь шунта перестаёт быть сверхпроводящей. Когда ток в соленоиде достигнет требуемой величины, нагреватель выключают.
Цепь шунта, охлаждаясь, становится сверхпроводящей, и после снижения тока питания до нуля в обмотке Магнит сверхпроводящий и замыкающем её проводе начинает циркулировать незатухающий ток.
Работающий Магнит сверхпроводящий находится обычно внутри криостата (рис. 3) с жидким гелием (температура кипящего гелия 4,2°K ниже Тк сверхпроводящих обмоточных материалов).
Для предотвращения возможных повреждений сверхпроводящей цепи и экономии жидкого гелия при выделении запасённой в Магнит сверхпроводящий энергии в цепи Магнит сверхпроводящий имеется устройство для вывода энергии на разрядное сопротивление (рис. 4).
Предельная напряжённость магнитного поля Магнит сверхпроводящий определяется в конечном счёте свойствами материалов, применяемых для изготовления обмотки магнита (см. таблицу).
Современные сверхпроводящие материалы позволяют получать поля до 150 — 200 кгс.
Стоимость крупных Магнит сверхпроводящий с напряжённостью поля порядка десятков кгс в объёме нескольких м3 практически не отличается от затрат на сооружение водоохлаждаемых соленоидов с такими же параметрами, в то время как суммарные затраты электрической энергии на питание Магнит сверхпроводящий и его охлаждение приблизительно в 500 раз меньше, чем для обычных электромагнитов.
Для обеспечения работы такого Магнит сверхпроводящий требуется около 100-150 квт, тогда как для эксплуатации аналогичного водоохлаждаемого магнита потребовалась бы мощность ~40-60 Мвт.
Значительное число созданных Магнит сверхпроводящий используется для исследования магнитных, электрических и оптических свойств веществ, в экспериментах по изучению плазмы, атомных ядер и элементарных частиц.
Магнит сверхпроводящий получают распространение в технике связи и радиолокации, в качестве индукторов магнитного поля электромашин.
Принципиально новые возможности открывает сверхпроводимость в создании Магнит сверхпроводящий — индуктивных накопителей энергии с практически неограниченным временем её хранения.
Литература:
- Роуз-Инс А., Родерик Е., Введение в физику сверхпроводимости, пер. с. англ., М., 1972;
- Зенкевич В. Б., Сычев В. В., Магнитные системы на сверхпроводниках, М., 1972;
- Кремлёв М. Г., Сверхпроводящие магниты, “Успехи физических наук”, 1967, т. 93, в. 4.
93, в. 4.Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK — практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
| НОВОСТИ ФОРУМАРыцари теории эфира | 01.10.2019 — 05:20: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ — Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Вячеслава Осиевского — Карим_Хайдаров.30.09.2019 — 12:51: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ — Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Дэйвида Дюка — Карим_Хайдаров. 30.09.2019 — 11:53: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ — Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Владимира Васильевича Квачкова — Карим_Хайдаров.29.09.2019 — 19:30: СОВЕСТЬ — Conscience -> РУССКИЙ МИР — Карим_Хайдаров.29.09.2019 — 09:21: ЭКОНОМИКА И ФИНАНСЫ — Economy and Finances -> КОЛЛАПС МИРОВОЙ ФИНАНСОВОЙ СИСТЕМЫ — Карим_Хайдаров.29.09.2019 — 07:41: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ — Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Михаила Делягина — Карим_Хайдаров.26.09.2019 — 17:35: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ — Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Пешехонова — Карим_Хайдаров.26.09.2019 — 16:35: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА — War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма — Карим_Хайдаров.26.09.2019 — 08:33: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ — Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от О.Н. Четвериковой — Карим_Хайдаров.26.09.2019 — 06:29: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ — Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Ю. Ю. Болдырева — Карим_Хайдаров.24.09.2019 — 03:34: ТЕОРЕТИЗИРОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ — Theorizing and Mathematical Design -> ФУТУРОЛОГИЯ — прогнозы на будущее — Карим_Хайдаров.24.09.2019 — 03:32: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ — New Technologies -> «Зенит»ы с «Протон»ами будут падать — Карим_Хайдаров. |
Американские физики создали самый мощный сверхпроводящий магнит
Внешний вид высокотемпературных сверхпроводящих катушек магнита до его объединения с внешним низко-температурным магнитом
National MagLab
Физики из Университета штата Флорида создали сверхпроводящий магнит, с помощью которого можно получить магнитное поле величиной 32 тесла. Это примерно на треть больше максимальной индукции, которую могли создать сверхпроводящие магниты ранее, сообщается в пресс-релизе университета.
В сверхпроводящих магнитах магнитное поле образуется за счет электрического тока, проходящего по катушкам из сверхпроводящего материала, сопротивление которого равно нулю.
Благодаря этому, в отличие от электромагнитов Биттера, сверхпроводящие магниты не разогреваются и для своей работы требуют значительно меньших мощностей.
Сейчас сверхпроводящие магниты активно используются в разных областях, в частности, на ускорителях элементарных частиц, в томографах и спектрометрах для ядерного магнитного резонанса или для движения поездов на магнитной подушке.
Тем не менее, по максимальной индукции создаваемого магнитного поля (которая к настоящему моменту не превосходила 25 тесла), сверхпроводящие магниты значительно уступали резистивным электромагнитам.
Сотрудники Лаборатории высоких магнитных полей Университета штата Флорида смогли создать сверхпроводящий магнит, который создает магнитное поле, почти на треть превосходящее по своей величине предыдущий рекорд. 8 декабря созданный ими магнит впервые достиг поля в 32 тесла.
Добиться создания такого мощного магнитного поля удалось за счет введения в структуру магнита элементов на основе высокотемпературных сверхпроводящих материалов.
В предложенной конфигурации сверхпроводящего магнита внешняя часть состоит из традиционных катушек из низкотемпературного сверхпроводника, а внутренняя — из высокотемпературных сверхпроводящих магнитных катушек из YBCO (материала на основе иттрия, бария, меди и кислорода).
Физики утверждают, что с помощью магнита предложенной конфигурации удалось создать очень устойчивое и однородное поле, однако точных показателей в пресс-релизе не приводится.
При этом, поскольку это первый сверхпроводящий магнит такого типа, то 32 тесла — это далеко не предельное значение магнитного поля.
В будущем максимальную индукцию магнитного поля, созданного таким магнитом, можно будет поднять и выше ста тесла.
По словам директора лаборатории Грега Бебингера (Greg Boebinger), это уже третий рекорд, который удалось установить его лаборатории за последнее время.
Летом прошлого года физики сделали рекордно мощный резистивный магнит, позволяющий получить магнитное поле индукцией более 41 тесла, а в ноябре 2016 года — систему из последовательно соединенных гибридных магнитов, с помощью которых можно получить однородное магнитное поле с индукцией 36 тесла.
Отметим, что дипольные сверхпроводящие магниты используются, например, на Большом адронном коллайдере. Именно инженерам из ЦЕРН принадлежал рекорд дипольных низкотемпературных сверхпроводящих магнитов на основе сплава олова и ниобия, установленный в 2015 году.
Александр Дубов
(PDF) СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ МАГНИТЫ (Superconducting Magnets)
1
СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ МАГНИТЫ
Д.М. Гохфельд
- В этой статье рассказывается о том, как сверхпроводники отталкиваются от магнита,
- притягиваются к магниту, работают вместе с магнитом и вместо магнита.
- Без сопротивления
- Сверхпроводники это материалы, обладающие уникальными свойствами [1]. Многие
- металлы, сплавы и сложные соединения при очень низкой температуре
- становятся
- сверхпроводящими. В сверхпроводящем состоянии электрическое сопротивление
- материала равно нулю, отсутствует.
- Когда электрический ток течет по обычному несверхпроводящему проводнику
- (металлу), проводник нагревается. Это происходит из-за того, что переносящие ток
- электроны сталкиваются с атомами кристаллической решетки металла. Энергия
- электронов расходуется на нагрев проводника. Для преодоления сопротивления и
- поддержания электрического тока приходится постоянно расходовать энергию (энергия
- берется из источников электрической энергии – батареек, аккумуляторов, электрической
- сети).
- В сверхпроводниках электрический ток переносится не единичными, а спаренными
- электронами – куперовскими парами [2]. Куперовские пары способны смещаться вдоль
- кристаллической решетки без столкновений и сопротивления [3]. Поэтому, потерь
- энергии нет, и сверхпроводник не греется при протекании тока.
- Передача электроэнергии без потерь – область применения для сверхпроводников. К
- сожалению, сегодня благоприятная для сверхпроводимости температура только на
- Плутоне. Но и на нашей планете сверхпроводники уже используются в линиях
- электропередач постоянного тока [4]. Кроме того, сверхпроводники оказались
- незаменимыми для измерения слабых полей (например, для магнитоэнцефалографии) и
- для создания сильных полей (электромагниты).
- Кое-что о вихрях Абрикосова
- Вместе с нулевым сопротивлением сверхпроводники демонстрируют абсолютный
диамагнетизм. Диамагнетизм – способность материала ослаблять магнитное поле.
Для работы сверхпроводников требуется температура от точки кипения азота (-196 °C) и
ниже.
- 2
- Сверхпроводники не просто ослабляют, а полностью выталкивают из себя магнитное
- поле.
- Сверхпроводники первого рода (Hg, Al, Pb и др.) выталкивают магнитное поле до
- тех пор, пока внешнее поле не увеличивается до некоторого критического значения. Затем
- поле быстро проникает в весь объем образца и сверхпроводящее состояние исчезает.
- Сверхпроводники второго рода (Nb, YBa2Cu3O7, MgB2 и др.) также выталкивают
- слабое магнитное поле. Увеличивающееся внешнее поле постепенно начинает проникать
- в образец квантованными нитями, называемыми вихрями Абрикосова [5]. Таким образом,
- в сверхпроводниках второго рода сверхпроводимость сохраняется и тогда, когда
- магнитное поле частично проникло в образец. Большой ток может протекать по таким
- сверхпроводникам, не разрушая сверхпроводящее состояние. Поэтому сверхпроводники
- второго рода привлекательны для практических применений. Далее в статье под термином
- сверхпроводник подразумевается сверхпроводник второго рода.
- Текущий по сверхпроводнику электрический ток пытается сдвинуть вихри
- Абрикосова. На движение вихрей тратится энергия, возникает сопротивление,
- сверхпроводник нагревается. Однако если вихри Абрикосова закреплены на дефектах
- структуры или неоднородностях материала, то протекающий ток не может сдвинуть их и
- сопротивление остается равным нулю. То есть для отсутствия сопротивления необходимо,
- чтобы в сверхпроводнике присутствовали дефекты, на которых могут закрепиться вихри.
- Огромное количество исследований посвящены способам, как загрязнить
- сверхпроводники и увеличить количество дефектов, не испортив сверхпроводимость.
- Как кошка с собакой
- Сверхпроводимость это квантовый коллективный феномен [3], как и магнетизм.
- Абсолютный диамагнетизм сверхпроводников является полной противоположностью
- магнетизма ферромагнетиков. Ферромагнетики это материалы, из которых делают
- постоянные магниты. Ферромагнетики способны генерировать собственное магнитное
- поле и усиливать внешнее поле.
- Сверхпроводимости и магнетизму трудно ужиться в одном материале, как кошке и
- собаке в одной комнате. Добавление ферромагнитных примесей в сверхпроводник
- приводит к подавлению сверхпроводимости из-за разрушения куперовских пар
магнитным полем. Тем не менее, иногда кошка с собакой неплохо сосуществуют вместе.
- Наноразмерные ферромагнитные примеси подавляют сверхпроводимость локально,
- вокруг себя, образуя малые несверхпроводящие включения в образце. На этих
- несверхпроводящих включениях хорошо закрепляются вихри Абрикосова. Несмотря на
- 3
- локальное подавление сверхпроводимости, свойства сверхпроводника в целом
- улучшаются.
- Соединяя сверхпроводник с ферромагнетиком можно создавать новые устройства.
- Из слоев ферромагнетик-сверхпроводник (FS) можно сконструировать магнитную шапку-
- невидимку [6]. Электрические FS контакты позволяют управлять спинами электронов и
- куперовских пар, такие спинтронные элементы [7] открывают пути создания новых
- поколений электронных устройств.
- Поднесем магнит
- Благодаря собственному диамагнетизму сверхпроводник отталкивается от
- постоянного магнита так же, как отталкиваются друг от друга одноименные полюса
постоянных магнитов. Два отталкивающихся магнита не могут находиться в равновесии.
- Такие магниты стремятся развернуться противоположными полюсами и притянуться друг
- к другу. Поэтому для левитации одного магнита над другим необходимы
- вспомогательные распоры. В отличие от двух магнитов, можно устойчиво подвесить
- сверхпроводник над магнитом или магнит над сверхпроводником (рисунки 1, 2).
Рисунок 1. Левитация магнита над сверхпроводником.
Рисунок 2. Левитация сверхпроводника над магнитами.
В институте физики твердого тела в Дрездене работает группа по исследованию и
применению магнитной левитации сверхпроводников. Созданная в этой группе
4
демонстрационная установка показывает левитацию модели паровоза над магнитной
дорогой [8]. Внутри модели находится охлажденный сверхпроводящий брусок. Модель
- летает над дорогой на некоторой высоте, практически без трения. Сверхпроводник может
- двигаться над магнитной дорогой, в стороне от нее и даже под ней. Другая
- демонстрационная установка из Королевского института Великобритании представляет
- собой магнитную дорогу, собранную из 2000 магнитов в виде ленты Мѐбиуса.
- Сверхпроводящий диск летает, оказываясь то над магнитной дорогой, то под ней [9].
- Эти опыты показывают, что сверхпроводник может удерживаться на некотором
- расстоянии от магнита, при любой взаимной ориентации. Не отталкиваться или
- притягиваться, а удерживаться! Пока магнитное поле выталкивается из сверхпроводника,
- сверхпроводник будет отталкиваться от магнита. Но если магнитное поле частично
- проникло в сверхпроводящий образец, то закрепившиеся вихри Абрикосова препятствуют
- удалению сверхпроводника от магнита.
- Теперь уберем магнит
- Закрепившиеся вихри Абрикосова остаются в сверхпроводнике даже после
- выключения внешнего поля (или удаления магнита). Магнитное поле замораживается в
- материале, и сверхпроводник начинает вести себя, как постоянный магнит. Конфигурации
- магнитных полей от постоянного магнита и от сверхпроводящего магнита очень похожи
(рис. 3), так что постоянный магнит можно заменить сверхпроводящим магнитом.
- Рисунок 3. Магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом (слева) и
- сверхпроводником с замороженным полем (справа).
- У сверхпроводящих магнитов есть ряд преимуществ перед постоянными магнитами.
- Постоянный магнит не может создавать поле большее, чем 1.8 Тесла, так как его свойства
- определяются количеством магнитных атомов в материале. У сверхпроводника нет такого
- ограничения. Величина поддерживаемого поля определяется размерами, дефектами и
- прочностью сверхпроводящего магнита и может быть огромной. Команде ученых из
- 5
- Кембриджа удалось удержать магнитное поле 17.6 Тесла [10] в сверхпроводнике Gd-Ba-
- Cu-O, усиленном стальным каркасом. Кроме того, сверхпроводящие магниты позволяют
- генерировать однородное магнитное поле, а однородность поля важна для работы
- сверхточных приборов. Сверхпроводники могут вытеснить постоянные магниты в
- устройствах, где польза от их применения превышает затраты на поддержание
- сверхпроводимости.
- Перспективы
- Сверхпроводимость остается неразгаданной физической головоломкой. Мы не знаем
- причину сверхпроводимости у многих соединений и не умеем предсказывать, какое из
- новых соединений будет сверхпроводящим. В научных центрах по всему миру ведется
- поиск новых сверхпроводников, придумываются объясняющие сверхпроводимость
- теории, разрабатываются новые сверхпроводящие устройства. Такие исследования
- проводят ученые из Красноярска [11], Нижнего Новгорода, Москвы и других городов
- России.
- Нет сомнений, что использование сверхпроводников в различных устройствах будет
- постоянно расти. Современные криогенные системы эффективно, без больших затрат
- энергии, поддерживают необходимые для работы сверхпроводников температуры.
- Достижения в области сверхпроводимости обеспечивают прогресс в создании
- термоядерных реакторов, глобальных энергетических сетей и новых электронных
- элементов.
[1] Сверхпроводимость, http://ru.wikipedia.org/wiki/Сверхпроводимость
[2] Куперовские пары, http://ru.wikipedia.org/wiki/Куперовская_пара
[3] Механизмы сверхпроводимости, http://postnauka.ru/faq/34060
[4] Сверхпроводящий кабель, http://kirensky.ru/ru/pop_sci/scnews/scnews_09062014
[5] Вихри Абрикосова, http://ru.wikipedia.org/wiki/Вихри_Абрикосова
[6] Шапка-невидимка, http://www. membrana.ru/particle/16824
[7] Спинтроника, http://ru.wikipedia.org/wiki/Спинтроника
[8] Левитация в Дрездене, http://www.youtube.com/watch?v=TeS_U9qFg7Y
[9] Левитация в Лондоне, http://www.youtube.com/watch?v=zPqEEZa2Gis
[10] Сверхпроводящий магнит, http://kirensky.ru/ru/pop_sci/scnews/scnews_31072014
[11] Институт физики им. Л.В. Киренского, http://kirensky.ru
Сверхпроводящий магнит — Superconducting magnet
Схема 20 тесла сверхпроводящего магнита с вертикальным отверстием
Сверхпроводящий магнит представляет собой электромагнит изготовлен из катушек сверхпроводящего провода . Они должны быть охлаждены до криогенных температур во время эксплуатации. В своем сверхпроводящем состоянии проволока не имеет электрического сопротивления и , следовательно , могут проводить гораздо большие электрические токи , чем обычные провода, создавая интенсивные магнитные поля. Сверхпроводящие магниты могут производить большие магнитные поля , чем все , но самые сильные не-сверхпроводящие электромагниты и может быть дешевле в эксплуатации , так как энергия не рассеивается в виде тепла в обмотках. Они используются в МРТ машинах в больницах, а также в научной аппаратуре , такие как ЯМР — спектрометры, массы — спектрометры , слитые реакторы и ускорители частиц .
строительство
охлаждение
Во время работы, магнитные обмотки должны быть охлаждены ниже их критической температуры , температура , при которой намоточные изменениях материала от нормального резистивного состояния и становится сверхпроводник . Два типа охлаждающих режимов обычно используется для поддержания магнитных обмоток при температурах , достаточных для поддержания сверхпроводимости:
с жидкостным охлаждением
Жидкий гелий используется в качестве хладагента для большинства сверхпроводящих обмоток, даже те , с критическими температурами значительно выше ее точки кипения 4,2 К. Это происходит потому , что чем ниже температура, тем лучше сверхпроводящие обмотки работой тем выше токи и магнитные поля , они могут стоять без возвращения их несверхпроводящего состояния.
Магнит и охлаждающая жидкость содержатся в термически изолированном контейнере ( Дьюар ) называются криостат . Для того, чтобы держать гелий от выкипания, криостат обычно строятся с внешней оболочкой , содержащей (значительно дешевле) жидким азотом при 77 К.
В качестве альтернативы, теплозащитного экран из проводящего материала и поддерживается в диапазоне температур 40 К-60 К, охлаждаемой проводящие соединения с криокулером холодной головки, помещают вокруг гелия судна , чтобы держать подвод тепла к последнему на приемлемом уровне.
Одна из целей поиска высокотемпературных сверхпроводников является создание магнитов , которые могут быть охлаждаемый жидким азотом в одиночку. При температурах выше примерно на 20 K охлаждения может быть достигнуто без кипения от криогенных жидкостей.
Механическое охлаждение
В связи с увеличением стоимости и доступностью сокращающейся жидкого гелия, многие сверхпроводящие системы охлаждаются с помощью двухстадийного механического охлаждения. В общем случае используется два типа механических криокулеров , которые имеют достаточную мощность охлаждения для поддержания магнитов ниже их критической температуры.
Гиффорд-McMahon криокулера был коммерчески доступен с 1960 — х годов и нашел широкое применение. Цикла регенератора ГМ в криокулере работает с использованием поршневого типа буйка и теплообменника. В качестве альтернативы, 1999 стал первым коммерческое применение с использованием импульсной трубки криокулера .
Такая конструкция криокулера становится все более распространенной в связи с низким уровнем вибрации и длительным интервалом обслуживания в конструкции импульсной трубки использует акустический процесс вместо механического перемещения.
Типичный для двух стадий холодильников на первом этапе будет предлагать больше мощности охлаждения , но при более высокой температуре ≈77 K со второй стадией будучи в ≈4.2 К и
Сверхпроводящая пена и магнит упростят стыковку спутников и сбор космического мусора
1081
Добавить в закладки
Ученые предложили создать стыковочную спутниковую систему с дистанционным управлением из сверхпроводящей пены и магнита. Это позволит уменьшить вес системы и, как следствие, увеличить грузоподъёмность спутника, а также быстро и просто выводить его из состояния стыковки и расстыковки. Помимо всего, систему можно применять для сбора космического мусора и защиты от метеоритов. Результаты исследования опубликованы в журнале IEEE Transactions on Applied Superconductivity.
Образец сверхпроводящей пены
Объемные сверхпроводящие материалы в настоящее время используются для создания эффекта левитации, разработки технических устройств электродвигателей и генераторов или в сверхпроводящих постоянных магнитах. Однако ученые рассматривают и другое более масштабное их применение – в космосе. В частности, для создания универсальной системы бесконтактной связи между космическими объектами, системы причаливания и стыковки космических летательных аппаратов и их защиты от метеоритов. Для создания таких систем необходимы сверхпроводники большого размера из легких материалов с сильным магнитным полем.
Международный коллектив ученых из Германии, Франции, Японии и России, в состав которого вошли исследователи ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН», предложил использовать сверхпроводящие пены в спутниках. Это позволит уменьшить вес системы, убрать ограничение размера сверхпроводящих элементов и увеличит грузоподъемность спутников.
Магнитное поле, создаваемое сверхпроводником, зависит от размеров образца. Чем больше размер, тем больше его возможности. Величина обыкновенных сверхпроводников ограничена. При этом крупные образцы могут растрескаться и потерять свои свойства. К тому же они дорого стоят и с ними трудно обращаться. Здесь на помощь могут прийти пористые сверхпроводящие материалы, в частности пены. Они практически не имеют ограничений в размере и при этом обладают стабильным, однородным и достаточно сильным магнитным полем. В то же время они в десять раз легче обычных сверхпроводящих материалов, что важно для космических аппаратов.
Системы причаливания и стыковки космических летательных аппаратов, по мнению ученых, должны создаваться за счет конструкции из сверхпроводника и магнита. Такие сверхпроводящие магниты позволяют по требованию быстро, в течение миллисекунд, включить все сверхпроводящие элементы и создать магнитное поле. И так же быстро отключить его. Даже находясь в космосе. Это делает процесс расстыковки намного проще: достаточно просто «включить» сверхпроводимость, чтобы бесследно стереть все магнитные сигналы. А процесс стыковки упрощается за счет больших магнитных полей, которые могут быть созданы магнитом.
«При соединении сверхпроводника с магнитом в сверхпроводящем материале происходят процессы, которые пассивно стабилизируют положение и ориентацию магнита, поэтому активное управление процессом стыковки не требуется. Это позволяет создать простую и эффективную систему стыковки с дистанционным управлением, подходящую под потребности миссии космического аппарата. Такие устройства могут использоваться, например, для стыковки космических аппаратов, в системах сбора космического мусора и микрометеоритной защиты. Они будут особенно интересны для небольших спутников частных компаний, исследовательских институтов и университетов», – рассказал Денис Гохфельд, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН.
Информация и фото предоставлены Федеральным исследовательским центром «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»
Разместила Наталья Сафронова
ФИЦ КНЦ СО РАН сверхпроводники спутники
Информация предоставлена Информационным агентством «Научная Россия». Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.
НАУКА ДЕТЯМ
Астрономы обнаружили уникальные неустойчивые галактики с рассогласованными дисками
18:30 / Астрономия
Международная конференция «Симуляционное обучение в медицине: опыт, развитие, инновации. РОСОМЕД — 2022» открылась в МГУ
18:30 / Здравоохранение, Медицина, Наука и общество
Исследование: первые челюстные позвоночные появились 439 миллионов лет
18:00 / Палеонтология
Запатентован новый способ диагностики меланомы
17:30 / Медицина
В предгорьях Северного Тянь-Шаня найдены стоянки эпохи верхнего палеолита
16:30 / Археология
Директор Института астрономии РАН Михаил Сачков: астроном — это романтик, который много знает
16:00 / Астрономия
Изобретение ученого Пермского Политеха повысит эффективность обработки титана и полимерных композитов
15:30 / Инженерия
Новосибирские студенты разработали диалоговую систему для видеоигр
14:37 / Новые технологии, Филология, Экономика
Восьмая Всероссийская премия «За верность науке»
14:30 / Наука и общество
«Нам надо работать вместе на общий результат». В МГУ имени М.В. Ломоносова обсудили сотрудничество между учеными в рамках Международной ассоциации академии наук
14:23 / Наука и общество, Экспертный разговор
Памяти великого ученого. Наука в глобальном мире. «Очевиднное — невероятное» эфир 10.05.2008
04.03.2019
Памяти великого ученого. Нанотехнологии. «Очевидное — невероятное» эфир 3.08.2002
04.03.2019
Вспоминая Сергея Петровича Капицу
14.02.2017
Смотреть все
Ученые создали прорывные магниты. Они открывают путь к энергии термоядерного синтеза
Сверхпроводящие магниты Большого адронного коллайдера выдают индукцию магнитного поля до 8,3 тесла (Тл). 18 D-образных низкотемпературных магнитов для экспериментального реактора ITER на максимуме своих возможностей смогут выдавать 11,8 Тл, чтобы удерживать плазму. При этом каждая такая катушка весит 360 тонн и достигает 17 метров в высоту. Ученые Массачусетского технологического института (MIT) совершили прорыв: они создали новые компактные сверхпроводящие магниты, которые генерируют поле в 20 Тл. Аналогичная установка на низкотемпературных магнитах должна быть в 40 раз больше. Прорыв делает управляемый термоядерный синтез намного ближе к реальности.
В 2018 году группа ученых из MIT основала компанию Commonwealth Fusion Systems (CFS). Мы затрагивали ее мельком в обзоре последних достижений в гонке за управляемым термоядерным синтезом. Сегодня CFS — это одна из самых перспективных компаний в этой сфере — по большей части благодаря чрезвычайно мощным магнитам, которые способны удерживать плазму для выработки тепла и генерации электричества.
Синтез — это процесс, который питает солнце: слияние двух маленьких атомов в один более крупный, высвобождающий огромное количество энергии. Но этот процесс требует температур, намного превышающих те, которые может выдержать любой твердый материал. Чтобы захватить источник солнечной энергии здесь, на Земле, необходим способ захватить и удержать что-то настолько горячее — 100 000 000 градусов или более — путем подвешивания таким образом, чтобы предотвратить его контакт с чем-либо твердым.
Это достигается с помощью интенсивных магнитных полей, которые образуют своего рода невидимую бутылку, в которой бурлит плазма.
Управляемый термоядерный синтез — голубая мечта многих ученых на протяжении более чем полувека. Если она исполнится, человечество сможет заполучить практически неограниченный источник более чистой энергии. Но пока ученые не смогли создать термоядерные системы, которые бы производили больше энергии, чем потребляли.
CFS основала площадку в Массачусетсе, где собирается построить свой прототип реактора и завод по производству магнитов. Прототип должен будет доказать, что реактор будет производить больше энергии, чем потреблять. Компания же надеется, что реактор будет производить в 10 раз больше энергии, чем нужно для его работы. Магниты будут изготавливать путем нанесения тонкой пленки экзотических материалов на подложку, похожую на видеоленту.
Фото: New York Times
Ключ к чистой энергии
Ключевая технология CFS и их коллег из MIT — высокотемпературные сверхпроводящие электромагниты. 5 сентября 2021 года они смогли продемонстрировать напряженность поля до 20 Тл. Как мы писали выше, это значительно превосходит существующие сейчас на Земле разработки.
Для этого использовали высокотемпературный сверхпроводник — редкоземельный оксид бария-меди. В промышленности его выпускают в виде ленты. Ученые использовали 267 километров такой пленки, чтобы сделать 16 плоских магнитов. Их сложили в конструкцию, которая по форме похожа на букву D. Эта форма будет окружать собой высокотемпературную плазму для ее удержания в стабильном состоянии.
Прежде чем магниты смогут генерировать магнитное поле, их надо охладить. Это одна из главных проблем подобных термоядерных реакторов. В установке ITER будут использоваться низкотемпературные сверхпроводящие магниты. Они требуют охлаждения до 4 кельвинов (−269 градусов по Цельсию). Для этого нужно много энергии.
Магниты CFS — высокотемпературные. Первые высокотемпературные сверхпроводящие соединения открыли еще в 1986-м в IBM. Годом позже Йоханнес Георг Беднорц и Карл Александер Мюллер получили Нобелевскую премию по физике за свое открытие.
Эти соединения способны сохранять сверхпроводящие свойства при гораздо более высоких температурах — вплоть до 90 кельвинов (−183 по Цельсию). Но тогда эти новые сверхпроводники создавались в форме хрупких кристаллов, непригодных для производства магнитов. Шли десятилетия, со временем исследователи нашли способ упаковать сверхпроводник, нанеся его в виде тонкой пленки на прочную стальную подложку.
20 Тл магниты CFS генерируют при температуре в 20 кельвинов (-253 градуса по Цельсию). Однако для будущего прототипа им будет достаточно и 12 Тл, так что столь сильное охлаждение не понадобится.
В итоге CFS использует высокотемпературные сверхпроводники, которые обеспечивают гораздо более сильное магнитное поле в меньшем пространстве. Этот скачок мощности в сопоставлении с размером и является ключом к революции. Возможной революции.
«Теперь у нас есть платформа, которая очень продвинута с научной точки зрения благодаря десятилетиям исследований этих машин, а также очень интересна в коммерческом плане. Это позволяет нам создавать устройства быстрее, компактнее и с меньшими затратами», — говорит Мартин Гринвальд, заместитель директора и старший научный сотрудник, представляющий MIT в проекте.
Что дальше?
Commonwealth Fusion Systems ставит своей целью построить компактный реактор термоядерного синтеза. Сперва это будет демонстрационный реактор SPARC, который впервые хотят запустить уже в 2025 году.
Первоначально CFS получила $50 млн финансирования от итальянской нефтегазовой компании Eni, во втором инвестиционном раунде в проект вложились фонд Билла Гейтса, а также несколько инвестиционных компаний — на общую сумму более $115 млн. После демонстрации сверхпроводящих высокотемпературных магнитов компания получила еще более $1,8 млрд и начала разрабатывать площадку для будущего реактора. Инвесторы удостоверились в потенциале технологии и понесли деньги.
Основываясь на теоретических расчетах, прототип сможет вырабатывать в 10 раз больше энергии, чем затрачивать. Общая мощность установки будет варьироваться в пределах 50—100 МВт.
Первая фаза проекта была завязана на магнитах. Три года ушло на стадию исследований и разработки. Вторая фаза — это четыре года непосредственной сборки установки.
Следом за SPARC, если демонстрация окажется успешной, приступят к строительству полноценной термоядерной электростанции ARC, которая будет подключена к электросети и непрерывно генерировать энергию. Ожидается, что это случится ближе к 2030 году.
Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!
Дрель-шуруповерт Metabo PowerMaxx BS Basic 600080500 (с 2-мя АКБ 2 Ah)
120 отзывов
питание: аккумулятор, Li-ion, 1400 об/мин, 34 Н·м, напряжение аккумулятора: 12 В, ёмкость аккумулятора: 2 А·ч, аккумулятор в комплекте, 950 г
367 р.
32 предложения
Дрель-шуруповерт Makita DF333DWYE (с 2-мя АКБ, кейс)
36 отзывов
питание: аккумулятор, Li-ion, 1700 об/мин, 30 Н·м, напряжение аккумулятора: 12 В, ёмкость аккумулятора: 1.5 А·ч, аккумулятор в комплекте, 1100 г
311 р.
47 предложений
Дрель-шуруповерт Bosch GSR 12V-30 Professional 06019G9000 (с 2-мя АКБ, кейс)
22 отзыва
питание: аккумулятор, Li-ion, 1600 об/мин, 30 Н·м, напряжение аккумулятора: 12 В, ёмкость аккумулятора: 2 А·ч, аккумулятор в комплекте, 720 г
452 р.
37 предложений
Шуруповерты в Каталоге
Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро
Перепечатка текста и фотографий Onlíner без разрешения редакции запрещена. [email protected]
Сверхпроводящие магниты
Сверхпроводящие магниты| Сверхпроводники типа II, такие как ниобий-олово и ниобий-титан, используются для изготовления обмоток катушек сверхпроводящих магнитов. В настоящее время в большинстве ускорителей высоких энергий используются сверхпроводящие магниты. Ускоритель протонов в Фермилабе использует 774 сверхпроводящих магнита в кольце окружностью 6,2 км. Они также нашли широкое применение в конструкции аппаратов магнитно-резонансной томографии (МРТ) для медицинской визуализации.
| Индекс Концепции сверхпроводимости Ссылка Rohlf,Ch 15 | ||
| Назад |
Ниобий-титан является сверхпроводником II типа с критической температурой 10 К и критическим магнитным полем 15 Тл.
| Index Концепции сверхпроводимости Ссылка Batlogg | |||
| 33333333Назад |
| Индекс Концепции сверхпроводимости Ссылка Оганяна | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
