Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Более сорока лет не ослабевает интерес к практическому использованию сверхпроводимости, в частности, к генерации магнитных полей с помощью сверхпроводящих магнитных систем (CMC). Сверхпроводящие магниты находят все более широкое применение в исследованиях по физике конденсированного состояния вещества, химии, биологии, ускорительной технике, электроэнергетике. Одновременно с расширением областей применения и количественным ростом CMC (в настоящее время в мире эксплуатируются десятки тысяч сверхпроводящих магнитов) все более важными становятся вопросы их оптимизации по массогабаритным характеристикам, надежности, экономичности.
Развитие крупных научных проектов по ускорительной технике (LHC, FAIR), управляемому термоядерному синтезу (ITER), а также ЯМР-спектрометрии сверхвысокого разрешения привело к необходимости значительного увеличения плотности тока в многоволоконных сверхпроводниках на основе ниобий-олова (с 600 А/мм2 до 3000 А/мм2 в 12 Тл).
Рост плотности тока в выпускаемых промышленностью проводниках и изготавливаемых из них устройствах приводит к увеличению уровня пондеромоторных нагрузок, ответственных за механические неустойчивости и, как следствие, к тренировке и деградации CMC.
Не потеряла актуальности проблема разработки эффективных методов защиты CMC для обеспечения их сохранности после перехода в нормальное состояние (без уменьшения конструктивной плотности тока в обмотках). Важной задачей является развитие современных методов диагностики механических возмущений в CMC.
Цель диссертации
Разработка методов создания и исследования CMC с высокой конструктивной плотностью тока для использования в магнитооптике, физике твердого тела и электронной микроскопии, установках по исследованию эффекта Мессбауэра и нейтронографии, физике плазмы, ускорительной технике, электроэнергетике.
Физико-техническое обоснование разработанных магнитных технологий и использование результатов исследований для выработки конкретных рекомендаций по повышению стабильности и воспроизводимости параметров CMC, уменьшению массогабаритных характеристик и стоимости, упрощению эксплуатации.
На защиту выносятся следующие результаты:
-
Разработка и исследование многочисленных CMC из проводов на основе ниобий-титана с индукцией до 10 Тл при 4,2 К. Улучшение воспроизводимости предельных токов за счет применения технологии, снижающей энергию упругой деформации. Изучение явления «размерного эффекта» и апробация его на обмотках цилиндрической формы. Экспериментальное исследование пондеромоторных и термических деформаций обмоток CMC и обоснование эффективности бандажирования для устранения тренировки.
-
Разработка и исследование комбинированных CMC из проводов на основе сплавов ниобий-олова, ниобий-титана и ванадий-галлия, изготовляемых как мелкими сериями с индукцией 10-=-12 Тл, 12-=-13 Тл, 14-=-15 Тл, так и уникальных (до 18 Тл при 4,2 К). Экспериментальное изучение устойчивости обмоток из сплавов на основе ниобий-титана и ниобий-олова при создании наружных секций опорного поля с большими пондеромоторными нагрузками. Экспериментальное подтверждение радикального
повышения надежности электрической защиты CMC на 13-=-18 Тл за счет использования электропроводящего экрана. Исследование возможности повышения индукции магнитного поля за счет применения как легированных проводов на основе Nb3Sn с внутренними распределенными источниками подпитки, так и изготовленных по "бронзовой" технологии.
-
Разработка, создание и исследование семейства CMC для гиротронов на 5-=-10 Тл, а также уникальной CMC для гиротрона на 170 ГГц с индукцией 7,17 Тл в отверстии 219 мм. Разработка уникальной CMC, намотанной из проводника «кабель в оболочке» для имитации возмущений в обмотках СП токамака по программе KSTAR (Республика Корея) и демонстрация возможности изменения магнитной индукции в этой CMC со скоростью 53 Тл/сек без перехода в нормальное состояние.
-
Разработка и создание двухкатушечной CMC для накопителей энергии на 0,5 МДж. Экспериментальное изучение возможности многократного перераспределения энергии с рабочим циклом 2 с без перехода в нормальное состояние. Исследование особенностей механических импульсных возмущений в накопителях на 0,5 МДж, а также в обмотках барабанного сепаратора методом акустической эмиссии. Разработка CMC, намотанных из проводников из сплава на основе ниобий-титана с запасенной энергией до 4 МДж, достигающих токов короткого образца практически без тренировки. Экспериментальная демонстрация эффективности компенсации осевых пондеромоторных нагрузок для увеличения предельных токов на примере CMC «спектрометр-электроновод» с управляемым магнитным зеркалом.
Научная новизна
-
Систематически (более чем на трехстах CMC) исследовано влияние на их предельные токи уровня механических напряжений, размера и формы токонесущего элемента, различных способов бандажирования осевых и радиальных нагрузок.
-
Развита и обоснованна оригинальная технология «полузамоноличивания» обмоток CMC из проводников на основе ниобий-титановых сплавов. Разработанная технология снижает энергию упругих деформаций, уменьшает эффект тренировки, позволяет многократно использовать проводник. Технология была широко использована как для создания CMC с запасенной энергией до 4 МДж, так и для высоко-компактных CMC с индукцией 8-=-9 Тл при 4,2 К и наружным диаметром 85 мм.
-
На полномасштабных CMC экспериментально изучена возможность увеличения магнитной индукции за счет использования проводников из ниобий-олова разных конструкций. В созданной компактной CMC с индукцией 17,7 Тл при 4,2 К плотность тока достигает 12 кА/см на сечение сверхпроводящего провода в максимальном поле. CMC не уступает зарубежным аналогам по массогабаритным характеристикам.
-
На созданной двухкатушечной CMC накопителей энергии на 0,5 МДж проведено моделирование возможности многократной перекачки энергии. Успешно испытана конструкция токонесущего элемента, усиленного стрендами из нержавеющей стали. Методом акустической эмиссии впервые исследован характер и особенности механических возмущений в CMC для накопителей энергии, проведена их линейная локализация.
Предложенные автором изменения конструкции токонесущего элемента позволили без тренировки увеличить запасенную энергию до 0,8 МДж.
-
На разработанном и испытанном прототипе CMC для 170 ГГц гиротрона достигнута уникальная совокупность параметров (величина магнитной индукции, диаметр рабочего отверстия, крутизна спада поля), не имеющаяй аналогов как в РФ, так и за рубежом. Предложенная автором оптимизация CMC по механическим напряжениям позволила избежать выявленной при предварительных испытаниях тренировки CMC.
-
Экспериментально исследовано влияние электропроводящего экрана на переходной процесс ряда CMC с сильным полем. Использование рекомендаций автора позволило радикально, (в 15-=-20) раз удлинить переходной процесс, избежать больших градиентов тока и напряжений, значительно повысить эффективность вывода энергии и существенно улучшить электрическую защиту CMC.
-
Продемонстрирована возможность изменения магнитной индукции со скоростью 53 Тл/сек без перехода в нормальное состояние на разработанной при активном участии автора уникальной CMC, намотанной из проводника «кабель в оболочке», предназначенной для имитации электромагнитных возмущений в СП токамаках.
Таким образом, в диссертации на примере многочисленных CMC развито и экспериментально обосновано новое научное направление: принципы и методы создания CMC высокой надежности, в первую очередь, для научного приборостроения и экспериментальной физики.
Практическая ценность
Разработки, исследования и предложения автора были использованы при создании более 300 CMC, многие годы успешно эксплуатирующихся в ведущих научных учреждениях России, странах ближнего и дальнего зарубежья (Германия, Республика Корея, Венгрия, Чехия, Болгария, Румыния и др.). Максимальная индукция лабораторных CMC, намотанных из проводов на основе ниобий-титанового сплава, достигает 9-=-10 Тл при 4,2 К, что близко к максимальному значению для этого сверхпроводника (всего изготовлено около 100 магнитов, в том числе компактные с наружным диаметром 85 мм). С использованием проводников на основе ниобий-титанового сплава также созданы мелкие серии установок для исследований по физике конденсированного состояния (в т.ч. для оптических исследований с вертикальным и горизонтальным расположением оси соленоида, для мессбауэровских и магнитоструктурных исследований, изучения квантового эффекта Холла, адиабатического размагничивания, исследований вещества мюонным методом и др).
При определяющем участии автора освоено создание высоконадежных комбинированных CMC, выпускаемых мелкими сериями с индукцией 12-=-13 Тл и 14-=-15 Тл при 4,2 К из проводников на основе ниобий-олова и ниобий-титана.
Практические рекомендации автора были взяты за основу при проектировании и создании уникальных CMC для:
Исследований свойств полупроводников в сильных полях (индукция 17-=-18 Тл при 4,2 К);
Спектрометрии электронов конверсии (CMC с управляемым магнитным зеркалом на длине 1,6 м);
Ускорительной техники (запасенная энергия до 4 МДж);
Экспериментов по высокочастотному нагреву плазмы и УТС (CMC для гиротронов на 170 ГГц, установка для изучения свойств жидких металлов в сильных магнитных полях с возможностью изменения пространственной ориентации магнитной оси, CMC для моделирования возмущений на стендах обмоток СП токамака со скоростью изменения магнитной индукции 53 Тл/сек);
Двухкатушечных CMC для накопителей энергии на 0,5 МДж:
Высокоэкономичных СП ключей.
По широте применения разработанные CMC охватывают значительную часть основных направлений практического использования технической сверхпроводимости.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на российских и международных семинарах и конференциях, в том числе:
На 2-ой Всесоюзной конференции по техническому использованию сверхпроводимости, Ленинград, 1983 г., (три доклада);
На симпозиуме по взаимодействию мюонов и пионов с веществом, Дубна, 1986 г.;
На IV Российской конференции по физике полупроводников, Санкт-Петербург, 2003 г.;
На научных семинарах в РНЦ "Курчатовский институт", Корейском электротехническом институте, Корейском институте Атомной энергии, Сеульском Государственном
Университете, Ленинградском физико-техническом институте, ИЯФ СО РАН им. Будкера;
На российском электротехническом конгрессе, Москва, 1999 г.;
На симпозиуме по использованию сверхпроводимости в накопителях энергии, Карлсруе, Германия, 1994 г.;
На конференциях США по прикладной сверхпроводимости 2000 г.; (три доклада), 2002 г.;
На международных конференциях по магнитным технологиям 1991, 1995, 2001 (два доклада), 2005 гг.;
На конференции США по криогенной технике, 1989 г.;
На международной конференции CryoPrague 2006.
Структура диссертации
