Содержание к диссертации
Введение
Часть 1. Переход в нормальное состояние низкотемпературных сверхпроводящих токонесущих элементов в нестационарных условиях 20
Введение к части I 21
Глава 1 Переход в нормальное состояние сверхпроводящих устройств в нестационарных условиях (краткий обзор литературы и постановка задачи) 23
Глава 2 Развитие перехода в нормальное состояние в многопроволочных сверхпроводящих кабелях . 27
2.1 Экспериментальное исследование развития перехода в многопроволочном кабеле с изолированными проволоками. 29
2.2 Модель развития перехода в многопроволочном сверхпроводящем кабеле с изолированными проволоками . 36
2.3 Выводы к Главе 2 46
Глава 3 Процесс перехода в нормальное состояние в многоволоконных сверхпроводящих проводах с меняющимся током 49
З. І Распространение перехода в сверхпроводниках с меняющимся током 50
3.1.1 Несекционированный образец 50
3.1.2 Длинный образец с набором потенциальных контактов 52
3.1.3 Сверхпроводящий провод большого сечения . 60
3.1.4 Выводы к разделу 3.1. 61
3.2 Распространение перехода в сверхпроводнике с падающим током 62
3.3 Развитие перехода в неоднородных сверхпроводниках с меняющимся током 64
3.3.1 Влияние неоднородностей на ток перехода в сверхпроводнике с меняющимся током. 64
3.3.2 Неоднородности и развитие перехода в сверхпроводнике с меняющимся током. 69
3.3.3 Обсуждение результатов 74
3.3.4 Выводы к разделу 3.3 76
Выводы к: Главе 3 77
Заключение к Части I 79
Часть II Стабильность многопроволочных сверхпроводящих кабелей 81
Введение к Части II 82
Глава 4 Стабильность сверхпроводящих устройств на основе многопроволочных кабелей, проблемы и задачи (краткий обзор литературы, постановка задач) 84
Глава 5 Исследование стабильности многопроволочных кабелей для работы на промышленной частоте переменного тока 90
5. 1 Токонесущая способность сверхпроводящих многоволоконных проводов на промышленной частоте переменного тока. 91
5.1.1 Исследуемые образцы 92
5.1.2 Результаты измерений 93
5.1.3 Обсуждение результатов. 97
5.1.4 Выводы к разделу 5.1 99
5.2 Исследование стабильности двупроволочных кабелей . 100
5.2.1 Границы стабильности на постоянном токе 103
5.2.2 Стабильность двупроволочных кабелей при меняющемся токе. 106
5.2.3 Обсуждение результатов для кабелей с меняющимся током. 107
5.2.4 Выводы к разделу 5.2. 111
5.3 Экспериментальные методы исследования распределения токов в многопроволочных сверхпроводящих кабелях 113
5.4 Результаты исследования деградации токов в много проволочных сверхпроводящих кабелях различной конструкции 118
5.4.1 Сравнение 6-ти проволочных кабелей - твистирование и круглая
плетенка 119
5.4.2 Исследование перераспределения токов в многопроволочных кабелях
различного типа. 123
5.5 Обсуждение результатов и критерий "одно-проволочной" или "электродинамической" стабильности 131
5.6 Выводы к Главе 5. 135
Глава 6 Исследование зависимости тока перехода от скорости нарастания тока (Ramp Rate Limitation) в "кабелях в оболочке" 139
6.1 Экспериментальные методы исследования кабелей в оболочке и эксперимент с малым модельным образцом. 142
6.1.1 Эксперименты с малым модельным образцом КВО. 142
6.1.2 Результаты экспериментов с малым модельным образцом КВО. 145
6.2 Обсуждение и анализ результатов экспериментального исследования деградации в малых модельных образцах КВО . 149
6.2.1 Положение центра всех токов. 149
6.2.2 Быстрые изменения (скачки) локального магнитного поля. 156
6.3 Эксперимент по прямому измерению распределения токов в модельном образце КВО на основе сплава ниобий- олово. 162
6.3.1 Модельный образец. 162
6.3.2 Датчики, калибровка и измерения. 164
6.4 Результаты эксперимент по прямому измерению распределения токов в модельном образце КВО и их обсуждение. 168
6.4.1 Критический ток образца и зависимость тока перехода от скорости ввода поля. 168
6.4.2 Распределение тока по проволокам во время изменения магнитного поля. 169
6.4.3 Распределение тока по проволокам после ввода тока. 171
6.4.4 Обсуждение результатов - причины деградации в КВО 175
6.4.5 Выводы к разделам 6.3 и 6.4. 179
б. 5 Анализ скачков напряжения в кабелях и их связь с деградацией тока 181
6.5.1 Модель для анализа скачков напряжения 183
6.5.2 Результаты анализа скачков напряжения в модельных образцах 185
6.5.3 Обсуждение результатов 187
Выводы к разделу 6.5 190
6.6 Эксперимент с локальными датчиками поля на крупном сверхпроводящем магните. 192
6.6.1 Описание эксперимента. 192
6.6.2 Результаты эксперимента и их обсуждение. 195
6.6 3 Выводы к разделу 6.6 200
6.7 Выводы к главе 6 200
Заключение к Части II 202
Часть III Стабильность и развитие теплового перехода в устройствах на основе высокотемпературных сверхпроводников. 205
Введение к части Ш 206
Глава 7 Методы изучения и описания перехода в нормальное состояние в устройствах на основе высокотемпературных сверхпроводников
(краткий обзор литературы и постановка задачи) 209
7.1 Эксперименты по изучению процесса перехода в 210
высокотемпературных сверхпроводящих устройствах.
7.2 Численные методы изучения процесса перехода в ВТСП 215
7.3 Заключение к Главе 7. 219
Глава 8 Экспериментальное исследование развития перехода в различных
устройствах на базе высокотемпературных сверхпроводников 220
8.1 Экспериментальное исследование перехода в короткой, ВІ2212/Ag, 222
ленте
8.1.1 Образец и экспериментальная установка. 222
8.1.2 Экспериментальные результаты. 223
8.1.3 Первое приближение к альтернативному описанию перехода ВТСП
устройств в нормальное состояние 228
8.1.4 Выводы к разделу 8.1 231
8.2 Образцы ВТСП ленты на каркасах из различных материалов,
формулировка понятия «тепловой переход» и его параметров 232
8.2.1 Образцы и экспериментальная установка 232
8.2 2 Экспериментальные результаты 234
8.2.3 Определение теплового перехода и его параметров. 238
8.2.4 Оценка тока теплового перехода Iq 241
8.2.5 Выводы к разделу 8.2 242
8.3 Галета из высокотемпературного сверхпроводника 243
8.3.1 Описание эксперимента 244
8.3.2 Испытания в жидком азоте 246
8.3.3 Эксперименты при косвенном охлаждении криокулером 247
8.3.4 Выводы кразделу 8.3 256
8.4 Четырех галетный магнит на основе высокотемпературного 258
сверхпроводника
8.4.1 Описание эксперимента 258
8.4.2 Испытания в жидком азоте 258
8.4.3 Испытания при косвенном охлаждении криокулером 259
8.4.4 Относительный ток перехода и время развития перехода - влияние объема магнита 262
8.5 Выводы к Главе 8 266
Глава 9 Анализ развития перехода в устройствах на базе высокотемпературных сверхпроводников 269
9.1 Закон подобия для перехода ВТСП устройств 270
9.1.1 Оценка для температуры 273
9.1.2 Оценка для электрического напряжения 275
9.1.3 Выводы к разделу 9.1 277
9.2 Сравнение экспериментальных результатов с расчетами 278
9.2.1 Методы определения тепловых и электрических параметров ВТСП 280
устройств
9.2.2 Результаты расчетов и их сравнение с экспериментом 2 80
9.2.3 Выводы к разделу 9.2 287
9.3 Методы оценки стабильности и параметров теплового перехода в устройствах на базе ВТСП. 288
9.3.1 Однородный, неоднородный и квазиоднородные случаи. 290
9.3.2 Ток теплового перехода. 291
9.3.3 Время развития перехода 295
9.3.4 Сравнение перехода низкотемпературных и ВТСП
сверхпроводников. 294
9.3.5 Пример оценки параметров перехода ВТСП катушки. 297
9.3.6 Выбор параметров системы защиты ВТСП катушки. 298
9.3.7 Процедура оценки параметров теплового перехода ВТСП 299
9.3.8 Выводы к разделу 9.3 300
9.4 Выводы к Главе 9 300
Заключение к Части Ш 303
Выводы по материалам диссертации 304
Заключение 309
Список цитируемой литературы
- Модель развития перехода в многопроволочном сверхпроводящем кабеле с изолированными проволоками
- Сверхпроводящий провод большого сечения
- Исследование стабильности двупроволочных кабелей
- Обсуждение и анализ результатов экспериментального исследования деградации в малых модельных образцах КВО
Введение к работе
Актуальность темы, постановка задачи, новизна работы.
Сверхпроводимость является метастабильным состоянием, существующим при температуре, магнитном поле и токе ниже, так называемых, критических величин. При некоторых условиях сверхпроводящее состояние может исчезнуть. Такое может случиться и при нахождении сверхпроводящей системы в подкритическом состоянии при определенных видах возмущений: тепловых, магнитных, механических. В том числе и случайных, не предусмотренных при проектировании.
В крупных сверхпроводящих устройствах (магнитах, трансформаторах, электрических машинах и т.п.) исчезновение сверхпроводимости может привести к локальному выделению запасенной в устройстве энергии и его разрушению.
Поэтому главными и основными вопросами при проектировании любого сверхпроводящего устройства являются следующие:
1. Какова будет устойчивость сверхпроводящего устройства в рабочих
условиях при возможных возмущениях? Какими будут граничные параметры устройства?
Как предотвратить для данного устройства несанкционированный, случайный переход в
нормальное состояние?
Это проблема стабильности сверхпроводящего устройства.
2. В случае разрушения сверхпроводящего состояния - переходе в нормальное
состояние (случайном, или во время испытаний для определения предельных рабочих
параметров) останется ли сверхпроводящее устройство работоспособным? Что надо
сделать чтобы переход в нормальное состояние не привел к разрушению устройства?
Это проблема защиты сверхпроводящего устройства от последствий перехода в нормальное состояние.
Проблема защиты сверхпроводящего устройства в первую очередь решается на основе знаний о том, как и каким образом, развивается в устройстве переход в нормальное состояние. Именно изучение процесса перехода в нормальное состояние позволяет разработать методы защиты сверхпроводящих устройств.
Вполне очевидно, что стабильность и процесс перехода в нормальное состояние тесно связаны. Из общих соображений ясно, что при высокой стабильности, устойчивой системе, переход естественно будет развиваться медленнее, чем в случае неустойчивой системы.
Проблемы стабильности и перехода в нормальное состояние были первыми, с которыми столкнулись разработчики реальных сверхпроводящих устройств, а именно, сверхпроводящих магнитов постоянного тока в начале 60-х годов вскоре после открытия «жестких» сверхпроводников. Известна так называемая «20-амперная катастрофа» /1/, когда реальный ток в нестабилизированном сверхпроводящем проводе не поднимался выше уровня порядка 20 ампер, несмотря на то, что ожидаемый критический ток был существенно выше этого уровня.
По мере развития технических применений сверхпроводимости были разработаны методы стабилизации сверхпроводников. Покрытие сверхпроводящих проводов нормальным металлом, вкупе с хорошо организованным охлаждением, предложенное Дж.Стэкли /2/ хорошо известно как «криостатическая» или «стационарная» стабилизация. Стационарная стабилизация позволила уже в середине 60-х построить довольно большие сверхпроводящие магнитные системы (см. например: /3/), Крупные сверхпроводящие системы и по сегодняшний день проектируются и строятся стационарно -стабилизированными тем или иным способом, примером может служить большой стелларатор - LHD в Национальном институте термоядерного синтеза (NIFS) в Японии /4/.
Следует отметить значительный вклад российских ученых, в частности сотрудников Института Высоких Температур, в разработку и усовершенствование методов стационарной стабилизации (см. например монографию /5/).
Дальнейшее развитие теории и практики создания сверхпроводящих устройств *
привели к разработке методов «динамической» и «внутренней» или «адиабатической» стабилизации /6, 11. В этих случаях стабильность достигалась дроблением сверхпроводящего сплава на тонкие волокна, не более определенной толщины. Волокна запрессовывались в нормальную (чаще всего медную) матрицу. Для дальнейшего улучшения стабильности, проводник скручивался («твистировался») с определенным шагом.
Методы стационарной, динамической и адиабатической стабилизации позволили создать громадное количество работоспособных сверхпроводящих устройств, от небольших лабораторных магнитов до крупных магнитов для установок термоядерного синтеза и ускорителей заряженных частиц (см. например монографии М.Уилсона 111, Брехны /81, В.Б. Зенкевича с соавторами 191).
В сверхпроводящих устройствах постоянного тока переход в нормальное состояние был хорошо изучен и разработаны методы защиты сверхпроводящих устройств.
Основным методом защиты являлась эвакуация запасенной в устройстве энергии на внешнюю нагрузку тем или иным способом. Каждое сверхпроводящее устройство снабжалось детектором перехода. В случае обнаружения начала перехода специальный коммутатор отключал источник питания и подключал внешнюю нагрузку, в которой запасенная энергия или большая ее часть выделялась быстрее, чем в сверхпроводящей обмотке /7-9/. Такая система защиты является широко распространенной и, несмотря на наличие активных элементов, которые могут отказать, (детектор перехода и коммутатор) показала вполне разумную практическую надежность.
Конструирование систем защиты базировалось на знании законов зарождения и
распространения нормальной зоны по сверхпроводящему устройству. Многочисленные
экспериментальные и теоретические исследования позволили с достаточной
практической точностью предсказывать развитие перехода в нормальное состояние в сверхпроводящих устройствах работающих на постоянном или медленно меняющемся токе и изготовленных из монолитных сверхпроводников.
С развитием технической сверхпроводимости, в середине 80-х и на рубеже 90-х годов, появились новые задачи. К этому времени, была решена проблема уменьшения потерь на переменном токе в сверхпроводниках /10/, и возникли идеи разработки сверхпроводящих устройств, работающих с быстроменяющимся током и магнитным полем, вплоть до промышленных частот 50-60 гц. В этих устройствах вновь возникли проблемы стабильности, особенно в сверхпроводниковых токонесущих элементах в виде многопроволочных кабелей (МПК). Проблемы создания сверхпроводящих устройств, работающих на переменном токе промышленной частоты, были рассмотрены автором в обзоре /А-1/
Многопроволочные кабели используются в целом ряде сверхпроводящих устройств с переменным током: в обмотках сверхпроводящих трансформаторов и электрических машин переменного тока, в полоидальных обмотках и центральных соленоидах токамаков, в обмотках ускорителей элементарных частиц. Такие токонесущие элементы обладают рядом преимуществ, как-то: низкие потери при переменных магнитных полях и токах, сравнительная легкость и дешевизна производства кабелей и изготовления обмоток из них, возможность получения токонесущих элементов большой длины и так далее. В принципе, многопроволочные сверхпроводящие кабели являются лучшими токонесущими элементами с точки зрения минимизации потерь на переменном токе. Но при этом оказалось, что в таких кабелях полный критический ток меньше, чем сумма критических токов составляющих его проволок (стрэндов) /А-1,11/,
В МПК с форсированным охлаждением типа «кабель — в - оболочке» (КВО) также была обнаружена проблема деградации критического тока МПК или «ограничения тока в зависимости от скорости его изменения» (RRL или Ramp Rate Limitation), которая является разновидностью ухудшения стабильности при переходе от единичной проволоки к многопроволочному кабелю /12/.
Вопросы эти являются весьма важным и актуальным. Поэтому автором в настоящей диссертации была поставлена задача исследования деградации критических токов некоторых видов МПК (сверхпроводящие МПК для промышленной частоты и сверхпроводящие КВО на основе ниобий-олова). Целью исследования являлись разработка методов исследования нестабильностей в МПК, выявление и изучение причин деградации, и практические рекомендации по улучшению стабильности МПК
Помимо ухудшения стабильности, в сверхпроводящих МПК для промышленной частоты, были обнаружены особенности перехода в нормальное состояние, отличающиеся от перехода в обычных, монолитных сверхпроводящих токонесущих элементах /13,14/. Кажущаяся скорость распространения нормальной зоны достигала сотен километров в секунду, вместо обычных десятков метров в секунду. Эти особенности важны ДЛЯ понимания процессов перехода в МПК и разработки должной системы зашиты, что также является актуальной задачей /А-1/.
Поэтому автором была поставлена задача исследования процессов развития перехода в некоторых видах МПК, для того, чтобы понять и объяснить особенности перехода (проблему сверхбыстрого перехода) в нормальное состояние сверхпроводящих МПК и, входящих в состав кабелей, многоволоконных сверхпроводников в нестационарных условиях. Для решения этой задачи также надо было разработать методы исследования сверхпроводящих кабелей и проводов в нестационарных условиях и провести их всесторонние исследования. Целью исследований, являлась выработка практических рекомендации по оценке скорости развития перехода в таких объектах, что является важным для разработки сверхпроводящих коммутаторов и ограничителей тока короткого замыкания резистивного типа, а также для разработки адекватной системы защиты сверхпроводящих устройств переменного тока.
Открытие высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) в 1986 году дало новые надежды и открыло новые перспективы разработчикам практических сверхпроводящих устройств. Размеры, запасенная энергия устройств на основе ВТСП растут с каждым годом. И хотя было показано, что в силу своих особенностей и высокой рабочей
температуры, устройства на основе ВТСП являются намного более стабильными, нежели низкотемпературные сверхпроводящие устройства /15/, процесс неконтролируемого роста температуры аналогичный переходу в нормальное состояние в них также возможен при определенных условиях /А-2, 16/. В особенности, если размер устройства становится достаточно большим. Поскольку изучение возможного развития перехода (неконтролируемого роста температуры) в ВТСП устройствах чрезвычайно актуально, автором была поставлена задача изучения развития перехода в реальных ВТСП-устройствах. Было необходимо разработать методики исследования развития перехода в ВТСП-устройствах, провести экспериментальные исследования ВТСП-устройств различного типа и размеров, разработать практичный и удобный метод описания развития перехода - роста температуры и напряжения в ВТСП-устройствах.
Таким образом, задачи настоящей диссертации можно кратко суммировать следующим образом:
исследование перехода в нормальное состояние сверхпроводящих
много провод очных кабелей, разработанных для работы на промышленной
частоте переменного тока и составляющих их многоволоконных
композитных проводов в нестационарных условиях;
исследование стабильности в нестационарных условиях двух типов
сверхпроводящих многопроволочных кабелей: кабелей для работы на
промышленной частоте переменного тока и кабелей-в-оболочке на основе
соединения ниобий - олово;
исследование процесса развития перехода в сверхпроводящих устройствах
из высокотемпературных сверхпроводников.
Актуальность темы диссертации определяется широким развитием и разработкой в последние годы:
низкотемпературных сверхпроводящих устройств работающих с быстроменяющимися или переменными токами и полями;
низкотемпературных сверхпроводящих устройств изготовленных из многопроволочных кабелей на базе многоволоконных сверхпроводников;
сверхпроводящих устройств на базе высокотемпературных сверхпроводников.
Проблемы стабильности и защиты от перехода в нормальное состояние вышеперечисленных устройств существенно отличаются от таковых для обычных,
низкотемпературных сверхпроводящих устройств, работающих на постоянном токе. Исследование стабильности и перехода в нормальное состояние таких устройств является чрезвычайно актуальным и является темой настоящей диссертации.
Автор защищает:
Экспериментальные методы исследования процессов стабильности и перехода в нормальное состояние сверхпроводящих устройств различного типа;
Результаты экспериментальных исследований перехода в нормальное состояние многопроволочных сверхпроводящих кабелей и их объяснение;
Результаты экспериментальных исследований перехода в нормальное состояние многоволоконных сверхпроводящих проводов в нестационарных условиях и их объяснение;
Результаты экспериментальных исследований стабильности многопроволочных кабелей для работы на промышленной частоте переменного тока и методы улучшения их стабильности;
Результаты экспериментальных исследований стабильности многопроволочных кабелей типа «кабель в оболочке» для работы в меняющихся магнитных полях, их объяснение и методы улучшения их стабильности;
Результаты исследований стабильности и развития неконтролируемого роста температуры (термического перехода) в устройствах на основе высокотемпературных сверхпроводников;
Разработанный на основе экспериментальных исследований подход к описанию стабильности и неконтролируемого роста температуры в устройствах на основе ВТСП.
Новизна работы.
Автором впервые в мире детально экспериментально исследовано аномальное ускорение перехода в нормальное состояние в некоторых многопроволочных сверхпроводящих кабелях («сверхбыстрый переход»), объяснена его природа и причины.
Автором впервые в мире экспериментально открыто ускорение распространения перехода в нормальное состояние в многоволоконном сверхпроводнике при быстроменяющемся токе, как в случае его роста, так и в случае его затухания.
][
Автором впервые в мире экспериментально продемонстрировано изменение характера зарождения и распространения нормальной зоны в многоволоконном сверхпроводнике с изменяющимся током. В зависимости от скорости изменения тока, появление единичного зародыша нормальной зоны сменялось множественным образованием нормальных зон и далее одновременным переходом в нормальное состояние всего объема сверхпроводника.
Автором впервые были разработаны, применены и внедрены в мировую исследовательскую практику методы исследования распределения токов в многопроволочных сверхпроводящих кабелях с помощью миниатюрных, локальных датчиков магнитного поля.
С помощью метода локальных датчиков магнитного поля, автором впервые были проведены исследования некоторых типов кабелей - в оболочке, выявлены причины появления RRL-явлекия - неоднородность распределения тока в кабеле.
Автором впервые в мире были проведены последовательные исследования стабильности различных типов многопроволочных кабелей и исследована их стабильность по отношению к переходу одной единственной проволоки. Им же впервые введено понятие «одно - проволочной» («электродинамической») стабильности или стабильности кабеля по отношению к переходу единичной проволоки.
Автором впервые проведены детальные исследования неконтролируемого роста температуры в сверхпроводящих устройствах на основе ВСТП, дано объяснение условий его возникновения и развития, введено понятие «термического перехода».
Автором, совместно с А.Л, Рахмановым, разработан новый подход к описанию стабильности и термического перехода устройств на основе ВТСП.
Практическая ценность работы
Автором разработан ряд практических методов исследования стабильности многопроволочных кабелей различных типов. Особенно следует отметить метод локальных датчиков магнитного поля, который в настоящее время широко используется в экспериментальных исследованиях.
Автором разработан ряд практических методов анализа неравномерности распределения токов в многопроволочных кабелях, позволяющих оценить токонесущую способность кабелей в различных условиях.
Результаты исследования переходов в нормальное состояние низкотемпературных сверхпроводников и кабелей, разработанных для использования на промышленной частоте, позволяют проводить
практические оценки скорости распространения нормальной зоны в устройствах из таких кабелей, что необходимо при конструировании систем защиты и коммутирующих элементов.
Результаты исследования стабильности сверхпроводящих
многопроволочных кабелей для переменного тока и предложенный критерий «одно-проволочной» стабильности может быть использован при разработке более стабильных кабелей и устройств.
Результаты исследований стабильности кабелей в оболочке нашли применение в практических оценках стабильности таких кабелей. Было показано, что, в отличие от прежних представлений, необходимо учитывать возможность неравномерного распределения токов по проволокам. Результаты исследования стабильности и развития перехода в высокотемпературных сверхпроводящих устройствах и новый подход к их описанию используются при разработке ВТСП. - устройств различного типа.
Модель развития перехода в многопроволочном сверхпроводящем кабеле с изолированными проволоками
Фотография и общая схема экспериментальной установки для исследования развития перехода в сверхпроводящих МПК показана на рис. 2.1.1. Шесть сверхпроводящих проволок кабеля были скручены вокруг центральной изолированной проволоки из манганина. Изолированные сверхпроводящие проволоки на основе сплава ниобий-титан в медно-никелевой матрице имели диаметр 0.5 мм и удельное сопротивление 1.35- Ю-7 Омм. Толщина изоляции составила 0.1 мм. Число сверхпроводящих волокон в проволоке -200, их диаметр 25 микрон. Общий диаметр кабеля составил 1.53 мм (см. рис.2.1.1), а его длина -4 м. На одном из концов кабель был расплетен и проволоки помещены в канавки на поверхности цилиндра-держателя на равном расстоянии друг от друга, как показано на рис. 2.1.1. Для сохранения симметрии, кабель был пропущен через центр цилиндра. Полный ток в кабеле и токи в каждой проволоке могли быть определены катушками Роговского. Оба конца кабеля были
Фотография и общая схема установки для исследования развития перехода в сверхпроводящем многопроволочном кабеле. соединены с контактными пластинами. Кабель можно было запитывать постоянным или переменным током как напрямую, так и трансформаторным методом с помощью первичной обмотки, помещенной внутри основной (на рис. 2.1.1. - не показана). Для улучшения потокосцепления мы использовали железный сердечник. Каждая проволока была снабжена потенциальными контактами и нагревателем, для инициирования перехода. Мы имели возможность соединять параллельно любое количество проволок.
Коэффициент индуктивной связи между проволоками был измерен напрямую. Для соседних проволок (1-2, 1-6 и так далее) он составил —0,9972, а для противоположных проволок (1-4, 2-5 и так далее) -0.9963. Таким образом, коэффициент индуктивной связи очень близок к единице, что приводит, как мы увидим далее, к очень быстрым процессам перераспределения токов.
Во время измерений, катушка запитывалась током определенной величины (как будет видно позже - не имело значения постоянным или переменным), потом нагревателем инициировался переход и сигналы с катушек Роговского (КР) и потенциальных контактов записывались цифровым осциллографом. После записи процесса перехода, данные из осциллографа передавались на графопостроитель и сигналы с КР графически интегрировались, чтобы получить реальные токи в каждой проволоке или во всем кабеле.
Скорость записи данных в цифровом осциллографе была ограничена, так что некоторые особенности очень быстрых процессов могли быть потеряны. Точность измерений составляла примерно 10 %. Однако этого было достаточно, чтобы получить качественные и количественные результаты и понять особенности процесса развития перехода в кабеле с изолированными проволоками.
Вначале мы исследовали процесс перехода в нормальное состояние двупроволочного кабеля. Две проволоки №1 и №4 (см. рис. 2.1.1) были соединены параллельно, а остальные проволоки кабеля были отсоединены. Переход всегда инициировался нагревателем на проволоке №1.
Мы обнаружили, что в зависимости от начального тока существуют различные виды процесса развития перехода. При малых токах, только первая проволока переходит в нормальное состояние, а весь ток в кабеле перераспределяется во вторую проволоку (см. рис. 2.1.2). Полный ток в кабеле остается неизменным. Этот режим был назван нами "перераспределением", В принципе, поскольку полный ток кабеля остается неизменным это не есть переход, кабель стабилен по отношению к переходу одной проволоки (см. Главу 5 настоящей диссертации).
Когда начальный ток в двупроволочном кабеле был увеличен до 110 А на проволоку, вторая проволока тоже стала переходить в нормальное состояние. Это проиллюстрировано на рис. 2.1.3. Следует отметить, что переход второй проволоки происходил при токах существенно меньше ее критических значений (для нашего кабеля критический постоянный ток в собственном поле проволоки составлял примерно 500 А). Скорость развития перехода в этом случае не слишком велика, этот режим был назван "медленным" переходом.
При увеличении начального тока, переход второй проволоки приводил к нарастанию тока в первой проволоке, дополнительному переходу этой проволоки и спаду тока с еще большей скоростью. Спад тока происходил гораздо быстрее (см. рис. 2.1.4). При дальнейшем росте начального тока, количество возрастаний-спадов (дополнительных переходов) каждой проволоки росло с увеличением скорости спада тока при каждом последующем переходе (см. рис. 2.1.5). В конечном счете, такой процесс многократных переходов приводил к очень быстрому затуханию полного тока и росту общего сопротивления обмотки, что и есть "быстрый" или "сверхбыстрый" переход, наблюдавшийся другими исследователями /13,14,19,20/.
Необходимо сделать несколько важных замечаний по наблюдавшемуся процессу развития перехода:
- Токи в проволоках никогда не достигали своего критического значения для постоянного тока. Ток перехода каждой проволоки примерно одинаков в процессе перехода и составляет меньше половины критического тока проволоки;
- Время развития процесса перехода не превышает нескольких миллисекунд. Поэтому не имеет значения капитан кабель постоянным или переменным током с частотой 50-60 Гц, так как общий ток затухает за время гораздо меньше периода переменного тока промышленной частоты.
- Скорость перехода возрастает очень резко, если ток превысил определенный уровень. Например, при увеличении полного тока всего на 8%, время развития процесса падает в три раза (сравни шкалы времени на рис. 2.1.4, и 2.1.5).
- В режиме сверхбыстрого перехода общий ток затухает очень резко, ступенчато. Время затухания полного тока гораздо меньше времени развития процесса. Такая характеристика может оказаться полезной для некоторых применений, где необходима коммутация тока с помощью сверхпроводников, например в ОТКЗ.
Для того чтобы проиллюстрировать ускорение процесса перехода мы ввели два характерных времени: х-\ и т2. Время Т[ определяется как время между началом перехода первой проволоки и началом спада полного тока. Второе время, определяется как: тз = АІЛ / І/ДІІІК где " начальный ток, a (dIo/dT)max - максимальная скорость спада тока.
Последняя величина может быть легко определена по максимальному сигналу на соответствующей катушке Роговского.
Зависимости ті и \г от начального тока на проволоку показаны на рис. 2.1.6. Видно, что ті изменяется экспоненциально с начальным током, в то время как тг- постоянна в области "медленного" перехода, а потом резко падает при превышении током определенного значения. Таким образом, существует реальная граница между областями "медленного" и "быстрого" переходов, когда характерное время меняется на два порядка величины. Граница между двумя областями перехода размыта, поскольку переходы воспроизводились не всегда четко, но, тем не менее, она ясно видна.
Сверхпроводящий провод большого сечения
В предыдущей Главе 2 были исследован процесс сверхбыстрый переход в многопроволочных сверхпроводящих кабелях с затрудненным перетеканием тока между проволоками. Природа сверхбыстрого перехода связана с быстрым перераспределением тока между проволоками с одновременным ускорением процесса перехода /А4 - А5/. Кроме того, важным вопросом в понимании процесса сверхбыстрого перехода, являлся вопрос об уровне тока перехода последующих проволок.
Для более полного понимания процесса развития перехода в кабелях, мы предприняли исследование природы образования и распространения нормальной зоны в сверхпроводниках с быстро меняющимся током. Поскольку именно особенности образования и распространения нормальной зоны (НЗ) в проводе с меняющимся током приводят к сверхбыстрому переходу. Феноменологическое предположение в модели, приведенной в предыдущем разделе /А-5/, наводило на мысль об ускорении скорости распространения нормальной зоны в поводе с меняющимся током, и/или о множественном образовании нормальных зародышей при каждом цикле перехода. Детальным исследованиям условий зарождения и распространения нормальной зоны в сверхпроводниках с меняющимся током посвящена настоящая Глава диссертации.
Вначале (раздел 3.1) мы приведем результаты первых экспериментов по определению уровня тока перехода н скорости распространения нормальной зоны в различных многоволоконных проводах с меняющимся током. Будет также приведено сравнение результатов эксперимента с теорией разработанной группой теоретиков под руководством А.Рахманова /25,26/.
В разделе 3.2 будет приведен анализ экспериментов, показывающий, что скорость нормальной зоны может ускоряться не только при быстром вводе, но и при быстром выводе тока из сверхпроводящего провода. Этот результат не мог быть объяснен никакими классическими теориями, и только анализ взаимодействия распространяющейся НЗ с термомагнитными возмущениями, вызванными меняющимся током, позволил объяснить это необычное явление /18/. И, наконец, в разделе 33 будут детально исследованы сверхпроводящие провода с меняющимся током, имеющие неоднородности по длине. Эти исследования позволили окончательно прояснить природу зарождения и распространения НЗ в многоволоконных сверхпроводящих проводах.
Первый, исследованный нами, образец был куском проволоки от кабеля, исследованного в предыдущем разделе. То есть многоволоконный сверхпроводящий провод на основе сплава ниобий-титан диаметром 0.5мм и с удельным сопротивлением 1.35-10" Омм. Полная длина образца составляла 1.8 м, он был намотан на каркас диаметром 30 мм с шагом 38 мм. Образец мог быть помещен в магнитное поле сверхпроводящего соленоида. Во время эксперимента ток в образец вводился со скоростью от 100 до 10 А/с вплоть до перехода. Ток и напряжение на образце фиксировались цифровым осциллографом, таким образом, было возможно определять полное сопротивление образца в зависимости от времени. Поскольку сопротивление образца не зависело от температуры, мы могли определять "кажущуюся" скорость распространения нормальной зоны, то есть скорость распространения НЗ без учета особенностей ее образования (например, множественности зарождения нормальных зон). Такую скорость мы будем условно называть "скоростью перехода".
Мы также измерили скорость нормальной зоны, когда только единственная нормальная зона была инициирована с помощью миниатюрного нагревателя.
Основой для сравнения наших результатов при меняющемся токе, были измерения скорости перехода на постоянном токе и во внешнем магнитном поле. В этом случае скорость перехода v t линейно зависела от начального тока /о с коэффициентом с , коэффициент С( в свою очередь описывался выражением: S5G г йЛ
На рис.3.1.1 показаны типичные зависимости тока от времени при различных скоростях ввода тока и при различных начальных токах /#. Видно, что при начальных токах меньше некоторого значения, ток перехода /,, постоянен и не зависит от начального тока в проводе. Если превысить ток перехода медленным вводом тока в провод, а затем начать быстрый ввод тока, переход начинается немедленно. Скорость перехода (коэффициент с) не зависит от начального тока, но только от скорости нарастания тока.
Исследование стабильности двупроволочных кабелей
В предыдущем разделе при исследовании перехода в нормальное состояние образцов с меняющимся током было показано, что скорость нормальной зоны растет при падающем токе. Это абсолютно новое явление, никогда не наблюдавшееся ранее, которое не может быть объяснено стандартными теориями распространения нормальной зоны (например, /7/). Рассмотрим это явление подробнее на примере длинного образца с несколькими потенциальными контактами, описанного выше.
На Рис. 3.2.1 показаны зависимости от времени тока в образце, а также напряжений на секциях А, В и С. Вскоре после перехода образца (который всегда начинался в секции А) сопротивление образца нарастало так быстро, что напряжения источника тока было недостаточно и ток начинал быстро затухать. Скорость этого затухания зависела от начального режима работы источника питания, т.е. от начальной скорости ввода тока. Поскольку сопротивление образца не зависело от температуры, скорость распространения нормальной зоны в любой момент времени могла быть определена как:
На рис. 3.2.2. показаны измеренные зависимости I(t) и v(t) для такого процесса, когда ток уменьшался от начального значения 1 г- 170 А. Как видно из рисунка, за время At l мс ток затухает от h до //—70 А. Характерное значение скорости уменьшения тока во время переходного процесса составляет 103 А/с. Измеренная зависимость v(t) указывает на аномальный характер распространения НЗ при столь высокой скорости уменьшения тока. Действительно, с уменьшением тока резко падает величина джоулева разогрева нормальной зоны, что должно приводить к уменьшению скорости ее распространения /вильс, альт, кр.кн./. Однако из рис. 3.2.2 видно, что при быстром выводе тока из провода, скорость v(t) возрастает и достигает максимума vfflar 120 м/с в момент времени t \ мс, приблизительно соответствующий достижению максимальной скорости снижения тока
При дальнейшем понижении тока величина /// уменьшается, а скорость v(() достигает своего стационарного значения, соответствующего току її.
На рис. 3,2.3 приведены результаты обработки измерений скорости распространения НЗ, проведенные по десяти переходным процессам (выводам тока из провода), аналогичным изображенному на рис. 3.2.2. Ток в образце во время этих измерений уменьшался от V- 350А, а величина скорости распространения НЗ измерялась при достижении током фиксированного значения 200 А. Как отмечалось выше, величина /// на падающем участке зависимости I(t) существенно зависит от скорости ввода тока до момента перехода. Варьируя режим ввода тока, мы получали различные значения / / / при /=200 А на участке сброса тока. Из рис. 3.2.3 видно, что величина скорости распространения НЗ является сильной функцией ///. Таким образом, экспериментально установлено, что быстрый вывод тока из сверхпроводника приводит к ускорению распространения нормальной зоны. При /7/ 500 кА/с скорость распространения НЗ увеличивается на порядок.
В работах /18, 25/ был проведен теоретический анализ ускорения распространения нормальной зоны. Было показано, что при соответствующей модификации параметра q в (3.1.3), эта формула может быть использована для оценок скорости распространения нормальной зоны. Расчеты скорости распространения нормальной зоны для наших экспериментальных случаев показаны на рис. 3.2.2 и 3.2.3 сплошными линиями. Видно хорошее качественное согласие теории и эксперимента.
Таким образом экспериментально обнаруженное ускорение распространение нормальной зоны при падающем токе может быть объяснено с помощью учета взаимодействия распространяющейся зоны с термомагнитными возмущениями, вызванными изменяющимся током /26, 30, 31/. Это явление также дает свой вклад в процесс сверхбыстрого перехода, увеличивая скорость распространения НЗ с каждым случаем дополнительного перехода проволок. (/А13-А15/) В предыдущих разделах мы показали что переход в нормальное состояние в сверхпроводниках с меняющимся током как правило зарождается в определенной точке провода, "слабом" месте. Наличие таких слабых мест или неоднородностей может оказать существенное влияние на процесс образования и распространения нормальной зоны в сверхпроводниках Поэтому мы посчитали необходимым провести детальное исследование влияния неоднородностей в реальных многоволоконных сверхпроводящих проводах на развитие перехода в них. Эти исследования приведены в настоящем разделе.
3.3.1 Влияние неоднородностей на ток перехода в сверхпроводнике с меняющимся током. Нами была исследована серия многоволоконных композитных сверхпроводников с высокоомной матрицей для определения зависимости тока перехода (ТП) от скорости роста тока (СРТ) в них. Параметры исследованных проводов и различных испытательных образцов, изготовленных из этих проводов, приведены в таблицах 3.3.1 и 3.3.2 Образцы с длиной более 11 см были снабжены несколькими потенциальными контактами, чтобы зафиксировать переход раздельно в разных частях образца. Короткие образцы имели по три потенциальных контакта, один из которых был в центре образца. Прямые ("Длинные") и U-образные ("Короткие") образцы всех проводов испытывались дважды: непосредственно охлаждаемые гелием и покрытые мгновенным клеем для уменьшения охлаждения и улучшения механической стабильности. Несколько испытаний проводов В и С были проведены, когда они находились как проволоки в составе многопроволочных кабелей /А-26/.
Во время испытаний образцы запитывались линейно растущим током. Напряжения с каждого образца фиксировалось цифровой системой сбора данных. Переход каждой секции образца фиксировался по появлению напряжения на ней, соответствующего электрическому полю в 1 цВ/см
Обсуждение и анализ результатов экспериментального исследования деградации в малых модельных образцах КВО
Как уже упоминалось во Введении к настоящей диссертации, при создании сверхпроводящих устройств перед разработчиком и исследователем всегда возникают два главных вопроса. Первый из них: каким будет предельный ток сверхпроводимости или ток перехода в нормальное состояние? Второй: что будет происходить после перехода, т.е. будет ли устройство работать после перехода или нет, требуется ли защита устройства от последствий перехода? Решение этих вопросов есть непростая физическая и техническая задача.
Обе проблемы были успешно решены для сверхпроводящих устройств, работающих на постоянном токе. Для решения первой проблемы, предельного рабочего тока, были предложены методы стабилизации сверхпроводящих проводов, разработаны и проверены экспериментально теории их стабильности /7-9/. Это и классические теории на основе модели критического состояния 111, и новейшие теории, учитывающие реальные размытые вольтамперные характеристики (ВАХ) сверхпроводников /28, 34/. Теории, учитывающие реальные ВАХ позволяют оценивать токи перехода с высокой точностью. Тем самым, проблемы стабильности сверхпроводящих устройств на постоянном токе были успешно решены, равно как и проблемы их перехода в нормальное состояние и методы защиты. /7, 35/.
В сверхпроводящих устройствах, работающих на переменном токе промышленной частоты или с достаточно быстро меняющимся полем, возникает еще одна проблема - потери тока в сверхпроводнике. Однако, достижения в области технологии многоволоконных сверхпроводящих проводов /10/ с субмикронными волокнами, основанные на исследовании природы потерь в сверхпроводниках, позволили принципиально решить и эту проблему. В настоящее время хорошо известно, какой должна быть конструкция высокоэффективного токонесущего элемента (ТНЭ) для сверхпроводящего устройства, работающего на промышленной частоте переменного токе. Это многопроволочный кабель с количеством проволок от нескольких штук до сотен /11/. Проволоки представляют собой много волоконные сверхпроводящие провода с субмикронными волокнами (-0.5-3 мкм) в матрице с высоким сопротивлением (медь-никель или медь-марганец). Иногда в матрицу добавляют минимальное количество меди. Диаметр проволок не превышает 0.2 - 0.5 мм. Проволоки могут быть изолированными.
Достаточно сложны и токонесущие элементы для устройств, работающих быстроменяющимся магнитном полем. Это также многопроволочные кабели на основе многоволоконнътх сверхпроводящих проводов.
В магнитах для ускорителей заряженных частиц такие кабели изготовляются на основе сверхпроводящих проводов из сплава ниобий-титан в медной матрице с волокнами толщиной 5-Ю мкм. Кабели транспонируются для уменьшения потерь на переменном токе и компактируются. Так изготавливается называемый "резефордовский" кабель /7,8/. Поскольку проволоки в таком кабеле неизолированы перетекание тока между проволоками происходит достаточно свободно, такие кабели обладают хорошей стабильностью на скоростях изменения магнитного поля характерных для ускорителей.
Еще сложнее дело обстоит с токонесущими элементами для обмоток магнитов термоядерных реакторов типа токамак. Обмотки полоидального поля и особенно центрального соленоида токамаков должны работать в сильном магнитном поле при достаточно быстрых изменениях собственного поля и выдерживать значительные возмущения поля при срыве плазмы. Кроме того, из-за значительных размеров таких обмоток - пондеромоторные силы, действующие на них, весьма велики. Поэтому в современных проектах магнитов термоядерных реакторов (например, в международном проекте ИТЭР /35/) используются кабели-в-оболочке (КВО) на основе проводов из соединения ниобий-олово /7, 36/. При этом для изготовления обмоток используется технология намотка-отжиг, когда сначала изготавливается обмотка магнита, а затем производится ее термическая обработка, при которой в проводах образуется сверхпроводящее соединение ниобий-олово. КВО, как правило, состоят из сотен и тысяч проволок-стрендов, проволоки покрывают хромом или никелем, чтобы избежать спекания их при термообработке.
При работе через КВО прокачивается гелий, как правило, в закритическом состоянии, под давлением в несколько атмосфер /36/. Естественно, что в таких МПК также имеются свои особенности в стабильности, существенно отличающиеся от стабильности обычных монолитных сверхпроводников охлаждаемых кипящим жидким гелием. Таким образом, обмотка сверхпроводящего устройства переменного тока или для работы с быстроменяющимся магнитным полем - это сложная система, состоящая из многоволоконных проводов, субкабеля, и кабеля-токонесущего элемента. Все эти составляющие существенно отличаются от тех, которые содержит устройство, работающее на постоянном токе.
Поэтому решение проблем стабильности МПК имеет свои особенности для каждой составляющей. Рассмотрим, что было уже известно, и что было необходимо исследовать.
Многоволоконные провода для промышленной частоты тока.
Для подавления кооперативных потерь в матрице сопротивление матрицы должно быть как можно больше, т.е. количество меди в матрице - как можно меньше. Возможно, меди вообще не нужно. С точки зрения классического критерия адиабатической стабильности 111 сверхпроводящие провода для переменного токе промышленной частоты весьма устойчивы благодаря тому, что волокна в них очень тонкие. Но с точки зрения критерия динамической стабильности /6, 7/ медь совершенно необходима для увеличения времени и улучшения охлаждения. Согласно наиболее современным теориям, учитывающим размытые ВАХ композитных сверхпроводников /28/ влияние сопротивления матрицы на стабильность опосредованное, оно влияет только на степень охлаждения. Сопротивление матрицы отсутствует в формуле для критерия стабильности /28/. Таким образом, необходимость включения меди в матрицу для улучшения стабильности сверхпроводника на промышленной частоте тока не являлась окончательно решенным вопросом к моменту начала работы над настоящей Диссертацией. Существовало слишком мало соответствующих экспериментальных исследований. В /10/ было показано, что в полях меньших IT, провода в отсутствие меди проявляют нестабильность, а при наличии меди ситуация улучшается /38/. В то же время автором было показано что для сверхпроводящей ниобий титановой ленты без какого-либо покрытия стабилизирующим материалом ток перехода в переменном токе близок току перехода в постоянном токе при очень низких полях /А-63/.
Таким образом, было неясно, нужна ли вообще медь в матрице для стабилизации в низких полях, и этот вопрос нуждался в дополнительном исследовании. Поэтому первоначальной задачей было исследование стабильности на промышленной частоте тока в проводах без меди в низких магнитных полях. Важно было также рассмотреть как технологические приемы, снижающие потери в сверхпроводниках на переменном токе влияют на их стабильность.
Что касается проводов на основе соединения ниобий-олово, было известно из литературы, что они имеют высокую стабильность на переменном токе и в изменяющихся полях /39/, поэтому задача их исследования не ставилась
Токонесущие элементы - многопроволочные кабели. Главная особенность МПК как токонесущих элементов это то, что они являются сильно анизотропной системой. С физической точки зрения МПК - это сеть параллельных иидуктивностей и параллельных и последовательных сопротивлений. Параллельные стренды соединены, по крайней мере, в двух точках - в месте подключения к токовводам, МПК имеют нулевое сопротивление в продольном направлении и конечное сопротивление в поперечном направлении. Это сопротивление варьируется от 10" —10" Ом на метр длины в резерфордовеких кабелях до 10 3 Ом на метр в кабелях для промышленной частоты из неизолированных проволок и до бесконечности в кабелях промышленной частоты из изолированных проволок.
Именно между—проволочное (межстревдовое) сопротивление и приводит к различию между разными типами МПК. Однако остается одно общее свойство - возможность образовывать токовые петли с токами текущими как вдоль проволок, так и перетекающими от проволоки к проволоке как за счет межстрендовых контактов, так и через соединения с токовыми вводами. Такие системы с возможностью образования токовых петель весьма уязвимы по отношению к изменяющемуся магнитному полю, в том числе и к собственному полю тока. Наведенные токи в токовых петлях приводят к неравномерному распределению токов по проволокам и, соответственно, ухудшению стабильности как будет показано далее.
