Магнит сверхпроводящий: Сверхпроводящие магниты. Устройство и работа. Применение

Содержание

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.

Как устроены сверхпроводящие магниты

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 магнита

Сверхпроводящие 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.

Возможности современных магнитов

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. На питание устройства уходит до 150 кВт энергии. Для сравнения магниты, которые имеют водоохлаждающую конструкцию, требуют до 60 мВт. При этом затраты на строительство обеих устройств приблизительно одинаковые.

Сфера применения

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:

Открыт новый вид сверхпроводимости — РИА Новости, 06.11.2020

https://ria.ru/20201106/sverkhprovodimost-1583404392.html

Открыт новый вид сверхпроводимости

Открыт новый вид сверхпроводимости

Японские физики впервые зафиксировали постепенные переходы между двумя различными формами сверхпроводимости, которые раньше считались несовместимыми. Результаты РИА Новости, 06.11.2020

2020-11-06T22:00

2020-11-06T22:00

2020-11-06T22:00

риа наука

сверхпроводники

физика

химия

токийский университет

япония

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdn24.img.ria.ru/images/07e4/0b/06/1583399676_306:0:3947:2048_1400x0_80_0_0_71195627f8f2dea60b7199b3578e661f.jpg

МОСКВА, 6 ноя — РИА Новости. Японские физики впервые зафиксировали постепенные переходы между двумя различными формами сверхпроводимости, которые раньше считались несовместимыми. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.Сверхпроводники, обладающие нулевым сопротивлением и способные передавать электричество без потерь, представляют огромный интерес с точки зрения практического использования в электронике и энергосетях. Свойство сверхпроводимости возникает у некоторых материалах при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю. С точки зрения физики, это может происходить двумя различными способами, которые до сих пор считались независимыми друг от друга.Первый вариант — это состояние Бардина — Купера — Шриффера (БКШ), при котором атомы замедляются и выстраиваются в линию, что позволяет электронам проходить через них без сопротивления. Второй — конденсат Бозе — Эйнштейна (КБЭ), так называемое пятое состояние вещества, которое образуется, когда холодные атомы практически перестают двигаться.»Конденсат Бозе — Эйнштейна — это уникальное состояние вещества, поскольку оно представлено не частицами, а волнами, — приводятся в пресс-релизе Токийского университета слова руководителя исследования Кодзо Окадзаки (Kozo Okazaki), доцента из Института физики твердого тела. — По мере того, как атомы охлаждаются почти до абсолютного нуля, они «размазываются» по пространству. Это «размазывание» увеличивается до тех пор, пока атомы, теперь больше похожие на волны, чем на частицы, не перекроют друг друга настолько, что станут неразличимыми. Образовавшаяся материя ведет себя как это единое целое с новыми свойствами. В том числе она приобретает свойство сверхпроводимости».До недавнего времени сверхпроводящие КБЭ существовали лишь в теории, но японские ученые продемонстрировали новый вид сверхпроводимости в лаборатории с материалом на основе железа и селена.Более того, используя метод сверхнизкотемпературной фотоэмиссионной спектроскопии с высоким разрешением и лазерной фотоэмиссией, авторы пронаблюдали все переходные стадии от БКШ к КБЭ, доказав, что эти два режима — лишь разные отражения единого явления сверхпроводимости. Оба режима требуют экстремального охлаждения системы до температуры около 10 Кельвинов и связаны с замедлением атомов, хотя в остальном они совершенно разные.»Демонстрация сверхпроводимости БЭК была средством для достижения более грандиозной цели — мы действительно надеялись изучить перекрытие между БШК и БКЭ, — объясняет Окадзаки. — Это было чрезвычайно сложно, но наш уникальный прибор и метод наблюдения подтвердили, что между этими режимами существует плавный переход. И это намекает на существование более общей теории сверхпроводимости».Авторы надеются, что их открытие позволит быстрее найти способ получения высокотемпературных сверхпроводящих материалов, крайне востребованных в электронной промышленности и энергетике. Сверхпроводящие магниты уже широко применяются в аппаратах МРТ и в ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе.

https://ria.ru/20200611/1572740181.html

https://ria.ru/20200922/sverkhprovodniki-1577608716.html

япония

РИА Новости

Россия, Москва, Зубовский бульвар, 4

7 495 645-6601

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2020

РИА Новости

Россия, Москва, Зубовский бульвар, 4

7 495 645-6601

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

Россия, Москва, Зубовский бульвар, 4

7 495 645-6601

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

https://cdn23.img.ria.ru/images/07e4/0b/06/1583399676_191:0:2922:2048_1400x0_80_0_0_5358bc85d3fd6c93070cefb76e755efe.jpg

РИА Новости

Россия, Москва, Зубовский бульвар, 4

7 495 645-6601

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

Россия, Москва, Зубовский бульвар, 4

7 495 645-6601

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

сверхпроводники, физика, химия, токийский университет, япония

МОСКВА, 6 ноя — РИА Новости. Японские физики впервые зафиксировали постепенные переходы между двумя различными формами сверхпроводимости, которые раньше считались несовместимыми. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Сверхпроводники, обладающие нулевым сопротивлением и способные передавать электричество без потерь, представляют огромный интерес с точки зрения практического использования в электронике и энергосетях.

Свойство сверхпроводимости возникает у некоторых материалах при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю. С точки зрения физики, это может происходить двумя различными способами, которые до сих пор считались независимыми друг от друга.

Первый вариант — это состояние Бардина — Купера — Шриффера (БКШ), при котором атомы замедляются и выстраиваются в линию, что позволяет электронам проходить через них без сопротивления. Второй — конденсат Бозе — Эйнштейна (КБЭ), так называемое пятое состояние вещества, которое образуется, когда холодные атомы практически перестают двигаться.»Конденсат Бозе — Эйнштейна — это уникальное состояние вещества, поскольку оно представлено не частицами, а волнами, — приводятся в пресс-релизе Токийского университета слова руководителя исследования Кодзо Окадзаки (Kozo Okazaki), доцента из Института физики твердого тела. — По мере того, как атомы охлаждаются почти до абсолютного нуля, они «размазываются» по пространству. Это «размазывание» увеличивается до тех пор, пока атомы, теперь больше похожие на волны, чем на частицы, не перекроют друг друга настолько, что станут неразличимыми. Образовавшаяся материя ведет себя как это единое целое с новыми свойствами. В том числе она приобретает свойство сверхпроводимости».11 июня, 12:00РИА НаукаНа МКС получили экзотическое состояние материи

До недавнего времени сверхпроводящие КБЭ существовали лишь в теории, но японские ученые продемонстрировали новый вид сверхпроводимости в лаборатории с материалом на основе железа и селена.

Более того, используя метод сверхнизкотемпературной фотоэмиссионной спектроскопии с высоким разрешением и лазерной фотоэмиссией, авторы пронаблюдали все переходные стадии от БКШ к КБЭ, доказав, что эти два режима — лишь разные отражения единого явления сверхпроводимости. Оба режима требуют экстремального охлаждения системы до температуры около 10 Кельвинов и связаны с замедлением атомов, хотя в остальном они совершенно разные.

«Демонстрация сверхпроводимости БЭК была средством для достижения более грандиозной цели — мы действительно надеялись изучить перекрытие между БШК и БКЭ, — объясняет Окадзаки. — Это было чрезвычайно сложно, но наш уникальный прибор и метод наблюдения подтвердили, что между этими режимами существует плавный переход. И это намекает на существование более общей теории сверхпроводимости».

Авторы надеются, что их открытие позволит быстрее найти способ получения высокотемпературных сверхпроводящих материалов, крайне востребованных в электронной промышленности и энергетике. Сверхпроводящие магниты уже широко применяются в аппаратах МРТ и в ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе.

Глава 4. Техника сверхпроводимости • В. Гинзбург, Е. Андрюшин • Книжный клуб на «Элементах» • Опубликованные отрывки из книг

Глава 4. Техника сверхпроводимости

Применение сверхпроводимости заманчиво и затруднительно

Знакомство с удивительными свойствами сверхпроводящих материалов сразу вызывает мысль о необходимости их применения в технике. Этой задачей стали заниматься еще в 1920-х гг. Очень заманчиво не тратить энергию на потери в проводах. Стоит только напомнить, что в современных воздушных линиях электропередачи теряется до 10% передаваемой энергии и еще больше потери энергии на преобразование тока.

Однако не так-то просто заменить все провода на сверхпроводящие. Первая и очевидная трудность — нужны низкие температуры. Подбираться к абсолютному нулю температур непросто и недешево. Многие стоящие на этом пути трудности уже преодолены. Скажем, затраты на собственно охлаждение не очень велики. Более существенным препятствием является сложность соответствующей аппаратуры, для создания и обслуживания которой требуются «высокая» технология и высокая квалификация.

Все работающие сверхпроводящие устройства должны быть тщательно изолированы от внешней среды. Гелий — дорогой и редкий материал, поэтому для уменьшения его потерь применяется дополнительное внешнее охлаждение жидким азотом. Такое двойное охлаждение сильно усложняет аппарат. Уже отсюда ясно, почему столь большое внимание уделялось повышению критической температуры сверхпроводимости и почему столь большой отклик вызвали во второй половине 1980-х гг. открытия ВТСП-материалов1. Об открытии ВТСП мы расскажем дальше, а сейчас кратко опишем уже существующие сверхпроводящие устройства.

Реализовать идею линии электропередачи без потерь пока не удалось. В настоящее время технически сложно создать столь протяженное и равномерно охлаждаемое устройство. Пока работают лишь компактные сверхпроводящие устройства, которые удобно охлаждать и защищать. Первые такие устройства появились в 1960-х гг. после того, как были открыты материалы, пригодные для изготовления проводов. По большому счету, два главных вида применений сверхпроводимости в технике — магниты с обмоткой из сверхпроводящего провода и СКВИДы.

Магниты

С постоянными (природными) магнитами человечество познакомилось достаточно давно, однако для большинства практических применений они непригодны. Напряженность их магнитного поля не очень велика и к тому же может изменяться во времени из за воздействия внешних условий. Поэтому вот уже в течение многих лет для получения магнитных полей используются электромагниты.(Самые первые модели электромагнитов относятся к 1820-м гг.) Электромагнит обычно состоит из сердечника и намотанного на него провода, по которому течет ток. Создаваемое при этом магнитное поле пропорционально силе тока и количеству витков.

Создание магнитов со всё большими напряженностями магнитного поля сопровождалось увеличением силы тока и потерь энергии на джоулеву теплоту. Уже в 1930-е гг. для создаваемых крупных магнитов потребовалось водяное охлаждение, а получение напряженностей в десятки тысяч эрстед затруднительно без использования сверхпроводимости.

Сейчас в мире серийно производятся многие виды сверхпроводящих магнитов. Еще более велико разнообразие магнитов, которые изготовляются для специальных, часто уникальных установок научного и промышленного назначения. Несколько «простых» магнитов вы видите на рис. 34.

Путь к созданию сверхпроводящих магнитов был достаточно сложным. Первоначально главным препятствием выступали низкие критические поля сверхпроводников I рода. С открытием сверхпроводников II рода начались практические попытки создания сверхпроводящих магнитов. При этом инженеры столкнулись с различного рода неустойчивостями сверхпроводящих магнитных систем. Вот картина одной из них.

Сверхпроводящий магнит располагается в сосуде с жидким гелием. Через специальный канал в сосуд вводятся провода, по которым получает питание обмотка магнита. По этому же каналу выходят пары испаряющегося гелия и в стационарных условиях подается жидкий гелий для компенсации испарения. Оказалось, что этого недостаточно, чтобы поддерживать магнит в рабочем состоянии. В 1960-е гг. случались аварии: резко увеличивалось тепловыделение, бурно испарялся жидкий гелий вместе с клочками обмотки и изоляции. После такой аварии магнит не годился к эксплуатации — его обмотка (находившаяся в жидком гелии!) была расплавлена.

Плотность тока в магните близка к критической. По случайной причине в какой-то очень небольшой зоне обмотки сверхпроводник может перейти в нормальное состояние. Этот кусочек провода уже обладает сопротивлением (и довольно значительным по сравнению, например, с медью). На сопротивлении начинает выделяться теплота, и нормальный кусочек провода становится интенсивным нагревателем. Выделение теплоты приводит к переходу в нормальное состояние соседних участков провода, сопротивление и потери еще больше увеличиваются, и процесс может развиваться лавинообразно. Запасенная энергия магнита превращается в теплоту и не только испаряет весь жидкий гелий, но и разрушает обмотку.

Для стабилизации сверхпроводящих магнитов были созданы условия для саморассасывания случайно возникающих нормальных зон. Для этого сверхпроводник покрывается слоем хорошего нормального металла, обычно меди, теплопроводность которой гораздо больше, а удельное сопротивление гораздо меньше, чем у сверхпроводящего материала в нормальном состоянии. Медь шунтирует участки, на которых произошел переход в нормальное состояние, а также способствует быстрому отводу теплоты от зародыша нормальной фазы.

Впрочем, в сверхпроводящих устройствах разного назначения применяются провода различной конструкции, и на этом стоит остановиться поподробнее.

Сверхпроводящие НТСП-провода

Сверхпроводящие провода разительно отличаются от тех, что применяются в электрических бытовых устройствах.

Высокие магнитные поля способны выдерживать лишь сверхпроводники II рода. Они «впускают» в себя магнитное поле в виде вихрей. Но движение этих же вихрей обусловливает появление электрического сопротивления, и большое критическое поле «компенсируется» малой критической плотностью тока. В практических условиях избежать движения вихрей весьма непросто: при изменениях тока меняется магнитное поле, значит, часть вихрей должна «покинуть» материал или, наоборот, «войти» в него. Механические напряжения проводов также вызывают движения вихрей.

Потребовались длительные усилия для создания материалов, структура которых препятствует движению вихрей. Для этого были созданы специальные сложные технологии, включающие множество этапов повторных плавок и волочений, отжига и ковки, химической обработки и т.д. Фактически создана специальная область металлургии и материаловедения.

К материалам для сверхпроводящих НТСП-проводов относятся в первую очередь сплавы ниобия Nb с титаном Ti. Это наиболее часто используемый материал, провода из него производятся в ряде стран серийно (рис. 35). Более высокими характеристиками обладает соединение Nb3Sn. Оно выдерживает поле напряженностью до 100 000 Э одновременно с плотностью транспортного тока до 103 А/мм2! Напомним, что бытовой провод сечением 1 мм2 предназначен для токов, не превышающих 1–2 А во избежание расплавления.

Соединение Nb3Sn также используется для конструирования проводов, хотя такие провода делать гораздо сложнее, чем ниобий титановые. В главе «Физика сверхпроводимости» уже говорилось, что «хорошими» сверхпроводящими свойствами обладают, как правило, металлы с «плохими» нормальными свойствами. Например, сверхпроводники в нормальной фазе гораздо хуже проводят теплоту и ток, чем, скажем, чистая медь. Кроме того, большинство сверхпроводников, в том числе Nb3Sn, хрупкие. А ведь мы привыкли беззаботно изгибать обычные провода и даже плести из них кружевные узоры. Со сверхпроводящим материалом надо обращаться гораздо аккуратнее; пожалуй, среди НТСП-проводов единственным приятным исключением являются ниобий титановые сплавы, которые обладают достаточной для изготовления проводов пластичностью. И они пока наиболее часто используются на практике.

Мы не можем даже перечислить все проблемы, возникающие при конструировании сверхпроводящих проводов. Решая их, конструктор должен совместить противоречивые требования. Так, для обеспечения стабильности желательно добавлять в провод побольше меди. Но тогда увеличивается его масса и уменьшается средняя плотность тока. Низкое удельное сопротивление меди способствует подавлению неустойчивостей, но зато увеличивает потери в переменном магнитном поле. (А в любом устройстве это поле будет меняться как минимум в моменты включения и выключения.)

Сверхпроводящие жилки провода, которые должны иметь диаметр менее 0,1 мм, располагаются в медной матрице. Жилки обязательно нужно скручивать относительно продольной оси провода. На рис. 35 вы видите не просто сечения различных проводов, а разные фазы «сборки» сверхпроводящего провода. Пучок тоненьких сверхпроводящих жилок покрывается медью и скручивается, затем эта операция проделывается с полученными более толстыми жилками и т.д. Общее число собственно сверхпроводящих ниточек в сечении провода достигает десятков и сотен тысяч!

В крупных устройствах стабилизирующего влияния меди недостаточно и провод по всей длине дополнительно охлаждают жидким гелием, для чего в медной матрице оставляют специальные каналы.

Так что сверхпроводящий провод — весьма сложная и дорогая конструкция. Впрочем, такие утверждения всегда относительны. Килограмм сверхпроводящего материала для провода во много раз дороже килограмма меди. Но если сравнить стоимость проводов, рассчитанных на равную силу тока, то сверхпроводящий провод окажется дешевле медного.

Сверхпроводящие ВТСП-провода

В начале ХХI века начинается переход к производству и использованию сверхпроводящих ВТСП-проводов. Эти провода представляют собой ленты в отличие от более привычных проводов круглого сечения. ВТСП-провода переходят в сверхпроводящее состояние при температурах выше азотной, но имеют при азотной температуре сравнительно малые критические токи. В целом ВТСП-провода характеризуются довольно резкой зависимостью критического тока и напряженности магнитного поля от температуры и при температурах около 20 К имеют критическую плотность тока, которая превосходит параметры обычных низкотемпературных проводов (NbTi и Nb3Sn). Возможность работать при 20–25 К обусловливает гигантский прогресс, поскольку позволяет использовать в прикладных устройствах, например, таких, как томографы, менее мощные и более дешевые охлаждающие устройства.

Среди ВТСП-проводов выделяют провода двух поколений. Провода 1-го поколения — это провода на основе серебряной матрицы с микроканалами, в которых находится сверхпроводящая керамика, как правило, Bi–Sr–Ca–Cu–O. Такие провода доступны на рынке с 2000 года и имеют длины до 1,5 км. Недостатки их — наличие больших теплопритоков и механическая хрупкость. Конструкция проводов 2-го поколения решает эту проблему. Эти провода представляют собой многослойную структуру, которая напыляется на ленту из нержавеющей стали. Важную роль играет слой MgO, который напыляется непосредственно на нержавеющую ленту под углом 30–40°. Косое напыление создает на поверхности MgO одинаково направленные борозды. Эти борозды служат для ориентации кристаллов ВТСП-керамики, которая напыляется непосредственно на MgO.

В качестве ВТСП-керамики используется Y–Ba–Cu–O или близкие к ней по структуре керамики. Слой ВТСП-пленки имеет толщину менее 2 мкм. Структура ВТСП-провода 2-го поколения показана на рис. 36. Новые сверхпроводящие провода разрабатываются очень быстрыми темпами, и в ближайшее время возможно появление новых композитных материалов с уникальными свойствами для технических применений. В целом эта область находится на пороге нового технического бума, который будет связан с разработкой и применением двигателей на основе новых сверхпроводящих проводов с использованием безжидкостного охлаждения систем при помощи охладителей. Кроме того, активно разрабатываются накопители энергии, токоограничители и другие технические устройства для больших энергетических систем.

Применения сверхпроводящих магнитов 1

Сильные магнитные поля необходимы прежде всего при проведении исследований. И здесь сверхпроводящие магниты применяются активно. Некоторые установки без них невозможно создать в принципе. На рис. 37 даны раритетные фотографии этапов сборки сверхпроводящих магнитов для установки «Токамак-15». Она предназначена для получения и исследования плазмы при высоких температурах и плотностях. Установки семейства «Токамак» представляют собой тор (или, попросту говоря, «бублик»), внутри которого магнитное поле должно удерживать высокотемпературную плотную плазму. Магнитное поле очень сложной конфигурации создается сверхпроводящей магнитной системой, состоящей из большого количества обмоток нескольких видов. Один из элементов системы вы видите на рис. 38. Назовем несколько параметров, характеризующих размеры и сложность системы: большой радиус тора составляет почти два с половиной метра, токи в обмотках достигают 3700 А, а радиальная сила, которая будет действовать на одну катушку в рабочем состоянии, достигает 10 т.

Конструирование подобных плазменных установок немыслимо без сверхпроводящих магнитов, из которых построены и магнитные системы новых ускорителей элементарных частиц. Создание таких систем характеризует сложность задач, которые научились решать. Установка «Токамак» стала основой международного проекта экспериментального термоядерного реактора ИТЭР. В 2005 году было определено место его строительства — местечко Кадараш во Франции, недалеко от Марселя.

Разработка технического проекта реактора ИТЭР завершилась в 2001 году. От России главными действующими организациями в разработке проекта выступали ФГУП НИИЭФА2, РНЦ «Курчатовский институт», ФГУП ВНИИНМ3 и ФГУП НИКИЭТ4 с привлечением еще около 200 организаций. Работа над проектом реактора в России велась в рамках Федеральной целевой программы «Международный термоядерный реактор ИТЭР», утвержденной Правительством Российской Федерации. Общая стоимость разработки проекта составила около 2 млрд долл. США, зачтенный вклад России в разработку оценен в 17%.

Схематически реактор в разрезе изображен на рис. 38. Сверхпроводящие магниты, создающие поля напряженностью до 60 000 Э, являются одной из ключевых частей устройства. Для их работы необходим криостат, в полости которого смонтирован собственно токамак. Криостат имеет форму вертикально стоящего герметизированного цилиндра с полусферическими торцами. Межстенное пространство шириной 200 мм может откачиваться либо заполняться гелием. Объем криостата около 30 000 м3; суммарная площадь стенок около 700 000 м2.

Комплекс реактора ИТЭР будет размещен на территории 0,7 × 1,2 км. Помимо здания собственно реактора на этой территории должно быть сооружено еще около 30 зданий — для криогенной фабрики, очистки и подготовки топлива (трития), мощной системы электропитания, системы управления и сбора информации и многие другие. Полная проектная термоядерная мощность реактора должна составить 500 МВт.

Применения сверхпроводящих магнитов 2

Сверхпроводящие магниты используются в ЯМР-томографах (ЯМР — ядерный магнитный резонанс). Это — медицинский прибор, использующий свойство ядер некоторых веществ (например, водорода) давать резонансный отклик на слабое электромагнитное излучение, причем частота резонанса пропорциональна напряженности магнитного поля. Анализ (компьютерный) отклика ядер в разных частях организма позволяет получать послойное контрастное изображение любых тканей, даже мягких, что очень сложно достичь другими методами. Можно надеяться, что в перспективе ЯМР-томограф позволит осуществлять и биохимический анализ.

В рабочей полости прибора сверхпроводящий магнит создает магнитное поле напряженностью 15–20 тысяч эрстед. Для получения хорошего изображения однородность поля в полости должна быть не хуже 0,1%. По сравнению с рентгеноскопией ЯМР-томография не только более мощное диагностическое средство, но и безопасное: многолетние исследования пока не выявили каких-либо отрицательных последствий кратковременного пребывания человека в сильном магнитном поле.

Идея использования ЯМР-томографии в медицине была высказана в 1971 году. Промышленный выпуск приборов начался в 1982 году. Уже в конце 1985 года в мире насчитывалось около 300 томографов медицинского назначения. В начале ХХI века без томографа не обходится ни один приличный диагностический центр. Это и большое технологическое достижение: эксплуатирующие томографы специалисты медики не очень задумываются о сложности примененных решений. Скажем, в нормальных условиях долив жидкого гелия требуется раз в три года.

Весьма заманчивы перспективы применения сверхпроводящих магнитов в энергетике. Сверхпроводящее электрооборудование позволит резко увеличить электрические и магнитные нагрузки в элементах устройств, благодаря чему резко сократятся их размеры. Плотность тока в сверхпроводящих проводах по меньшей мере в десятки раз превышает плотность тока в обычных проводах. Напряженность магнитного поля можно будет довести до 10 тысяч эрстед, что на порядок больше, чем в обычных машина

прошлое, настоящее и будущее сверхпроводимости / Блог компании Toshiba / Хабр

Сверхпроводимость – открытие с незавидной судьбой по сравнению с другими научными прорывами XX века. Результаты последних быстро нашли путь из теоретической в прикладную науку, а затем – в повседневную жизнь. Сверхпроводимость же постоянно требует от учёных достигать и преодолевать какие-то пределы: температурные, химические, материальные. И даже спустя более чем 100 лет после открытия этого явления, мы все ещё боремся с теми же преградами, которые стояли перед учёными в начале прошлого века. Мы — это и Toshiba тоже, и нам есть что рассказать о нашем вкладе в изучение и приручение сверхпроводимости.

Что такое сверхпроводимость и как мы о ней узнали?

Представьте, что вам надо проехать на машине через очень плохую грунтовую дорогу. В тёплое время года, особенно после дождя, она превращается в болото. Колеса вязнут в грязи, скользят, буксуют, машину водит из стороны в сторону. Ваша скорость падает. Зато осенью при первых заморозках грязь твердеет, и вы проезжаете по дороге с ветерком, как будто по шоссе. Вот также и электроны, составляющие электрический ток, проходят через металлы при изменении температуры. Когда вещество нагрето, составляющие его атомные структуры сильно колеблются, затрудняя движение электронов. Атомы выхватывают из потока электроны и рассеивают их. Лишь немногие проходят из точки «А» в точку «Б». Так создается сопротивление.

Однако если металл охлаждать до абсолютного нуля (–273 °С), внутренние колебания вещества («тепловой шум») в нём уменьшаются, и электроны проходят через него без трений, то есть сопротивление падает до нуля. Именно это и называется сверхпроводимостью. Как всё это работает с научной точки зрения, описано в многочисленных статьях в специальных и научно-популярных изданиях, например, в N+1 (с весёлыми картинками).

Голландский физик Хейке Каммерлинг-Оннес в 1911 году об этом явлении ещё не знал, хотя уже был в курсе, что электрическое сопротивление металла снижается при охлаждении. Чтобы проверить, как далеко можно зайти в играх с холодом, металлом и электричеством, голландец использовал ртуть. Именно этот металл в те времена подвергался лучшей очистке от примесей, мешающих движению электронов.

При понижении температуры до 4,15 кельвинов, то есть до –269 °C, сопротивление в ртути полностью исчезло. Правда, Каммерлинг-Оннес в это не поверил, и, проявляя свойственную ученому осторожность, записал в дневнике, что сопротивление «практически исчезло». На самом деле оно полностью отсутствовало, просто измерительные приборы тогда к этому были не готовы, как и сам исследователь.

Впоследствии Каммерлинг-Оннес проверил на сверхпроводимость много металлов и установил, что таким свойством обладают свинец и олово. Также он нашел первый сверхпроводящий сплав, который состоял из ртути, золота и олова. За свои эксперименты с критически низкой температурой ученый получил прозвище «Абсолютный нуль». Но поддерживать это высокое звание было непросто — для экспериментов требовался дефицитный по тем временам жидкий гелий, что не позволило Каммерлингу-Оннесу открыть второе фундаментальное свойство проводников.

Эффект Мейснера: мог ли летать гроб пророка

В средневековой Европе был распространен такой миф: в Мекке, в одном из дворцов парит в воздухе железный (по другим представлениям — медный) гроб с телом пророка Мухаммеда, не поддерживаемый ничем, кроме мощных магнитов. Паломники со всего исламского мира приходят туда, чтобы увидеть это зрелище, и в религиозном экстазе выкалывают себе глаза, потому что верят, будто ничего чудеснее в жизни уже не увидят.

Паломник пал на колени перед левитирующим гробом на фрагменте Каталонского атласа XIV века. Источник: Wikimedia Commons


В действительности погребён пророк был не в Мекке, а в Медине; гроб был сделан из дерева, хотя и богато украшен; никаких магнитов тоже замечено не было, что было проверено в XIX веке. Тогда же было доказано, что ферромагнитное тело в поле постоянных магнитов не может сохранять устойчивое равновесие.

Тем не менее, если бы средневековые хронисты пережили выдуманный миф на один век, то они могли бы получить в распоряжение мощный козырь. В 1933 году немецкие физики Вальтер Мейснер и Роберт Оксенфельд решили проверить, как распределяется магнитное поле вокруг сверхпроводника. И вновь было сделано неожиданное открытие: сверхпроводник, охлажденный до критической температуры, вытолкнул из своего объема внешнее постоянное магнитное поле. Как выяснилось, проходящие через сверхпроводник токи создают своё магнитное поле в тонком поверхностном слое вещества. В сверхпроводящем состоянии сила этого поля равна действующему на него внешнему магнитному полю.

Если бы гроб пророка был создан из магнитов и помещён в пещеру, состоящую из охлажденных до критических температур сверхпроводников, то, возможно, он действительно парил бы в воздухе, как это описывали средневековые европейцы. Во всяком случае, в небольших масштабах и с менее сакральными участниками такой эксперимент уже много раз проводился.

Вот так мог левитировать гроб пророка, если бы при его погребении были учтены все условия эффекта Мейснера. Источник: YouTube-канал Empiric School

Открытие эффекта Мейснера также помогло нам понять, что не все сверхпроводники одинаковы. Помимо немногочисленных чистых металлов, сверхпроводимость возникает и у сплавов. Однако если у чистых веществ эффект Мейснера проявляется полностью (сверхпроводники I рода), то у сплавов — частично, ведь они не однородны (сверхпроводники II рода). В них магнитное поле выталкивается не полностью, а заполняет пространство вдоль идущих через проводник сверхтоков. Именно с их открытия началось практическое применение сверхпроводников в виде магнитов.

Тесла бы гордился: как Toshiba создала самый мощный в мире сверхпроводящий магнит

В погоне за снижением критической температуры к 1960-м годам человечество открыло много сверхпроводников второго вида, которые уже можно было использовать в промышленных целях и масштабах. Первой логичной задачей на этом пути стало создание сверхпроводящих магнитов, которые должны были заменить изобретенные еще в XIX веке электромагниты, основанные на использовании обычных металлов.

Сверхпроводящий магнит позволял создавать гораздо более устойчивые и мощные поля при более эффективном использовании электричества. В 1962 году были разработаны первые сверхпроводящие провода из ниобия и титана, и в том же году был создан первый крупный сверхпроводящий магнит. Его сконструировали специалисты General Electric. Мощность генерируемых им полей достигала 10 тесла. Для сравнения: большинство больничных магнитно-резонансных томографов сегодня генерируют поле с индукцией от 1 до 10 Тл.

Правда, несмотря на очевидный научно-технический успех, первый сверхпроводящий электромагнит оказался совершенно убыточным. Вместо предусмотренных контрактом с Bell Laboratories 75 тыс. долл., детище General Electric обошлось в 200 тыс. долл. Тем не менее, в гонку за индуктивностью полей в 1970-е гг. вступили многие инновационные компании, в том числе и Toshiba.

Основной задачей тогда было понять, насколько сильное поле может создать сверхпроводящий магнит, потому что чем выше эта величина, тем быстрее теряется сверхпроводимость. Именно тогда Toshiba совместно с Университетом Тохоку создала новый мощнейший в мире на тот момент сверхпроводящий магнит. Он генерировал поле с индукцией 12 Тл. В университете Тохоку его использовали в материаловедении.

Однако обычные электромагниты все еще были способны превзойти своих «потомков» в генерации электромагнитных полей. К концу 1970-х старое поколение этих устройств могло создать поле с индукцией до 23,4 Тл, тогда как сверхпроводящие магниты — только 17,5 Тл.

В 1983 году инженеры Toshiba на базе своей прежней разработки создали гибридный электромагнит: обычный резистивный электромагнит был помещён внутрь сверхпроводящего магнита, и скрещивание их полей дало индукцию величиной 31 Тл в 1986 году.

Когда стало ясно, что мы можем достичь очень высокой мощности электромагнитных полей, встал вопрос, а как использовать то, что мы уже имеем? В 1980-е Toshiba, как и многие другие компании, решила коммерциализировать технологию на «медицинском полигоне».

Лучи добра: как сверхпроводники Тошибы помогают лечить онкологические заболевания

В 1980-е стало ясно, что магнитно-резонансная томография, использующая электромагнитные поля сверхпроводников, может давать намного более четкую диагностику, чем недавно разработанная технология компьютерной томографии и более старые рентгеновские лучи. Это осознали и в Toshiba. С тех пор компания стала поставщиком сверхпроводящих магнитов производителям медицинского оборудования и остаётся им до сегодняшнего дня.

Один из первых сверхпроводниковых магнитов Toshiba, разработанный для аппаратов МРТ. Источник: Toshiba


Однако современные медицинские установки становятся гибридными: они не только диагностируют, но и лечат, как, к примеру, аппараты терапии с использованием тяжелых частиц.

Их суть в том, что они генерируют лучи с ускоренным движением тяжелых частиц, которые направляются на опухоли в человеческом теле. Чтобы точно направлять пучки таких частиц, необходимо мощное магнитное поле. Раньше такие машины уже использовались, но они не могли контролировать путь генерируемых частиц, из-за чего пациентам постоянно приходилось менять положение, чтобы подставлять пораженные участки тела под излучение, что непросто для больных онкологическими заболеваниями.

Тогда инженеры Toshiba внедрили в гентри — подвижную кольцевую часть излучателя, похожую на портал, — сверхпроводящие магниты, которые были способны быстро менять силу магнитных полей. Это позволило более прицельно направлять лучи, а движение гентри позволило пациентам сохранять покой во время терапии.

Аппарат терапии тяжелыми частицами. Во вращающемся гентри — сверхпроводниковый электромагнит Toshiba. Источник: Toshiba

Что в будущем: топ-3 перспективных применений сверхпроводников

Помимо медицины, сверхпроводники сегодня используются в науке, энергетике, транспорте. Каковы их перспективы в ближайшем будущем?

Провода на высокотемпературных сверхпроводниках


С самых первых лет открытия сверхпроводимости человечество задумывалось о том, как передавать ток с помощью сверхпроводников. Обычные воздушные высоковольтные линии занимают много пространства, а также теряют 6-10% передаваемой энергии.

Сначала не подходили, собственно, сверхпроводящие металлы, чьи химические свойства не позволяли сделать из них провода. Затем с открытием сверхпроводников II рода встал вопрос об их охлаждении, для которого требовался дорогой гелий. Только в 1986 году была открыта высокотемпературная сверхпроводимость, то есть были найдены сверхпроводники с критической температурой выше 30 кельвинов. Это позволило использовать для охлаждения более дешёвый азот, однако теперь встал вопрос о том, как поддерживать высокопроводящее состояние, то есть низкую (высокую) температуру на очень больших отрезках.

Сейчас в России, Китае, Японии, Южной Корее, Европе и США есть проекты по созданию сверхпроводящих кабелей длиной от одного до десяти километров. Успеха добились российские инженеры — в прошлом году завершились испытания самой протяженной сверхпроводящей кабельной линии постоянного тока. Опытный образец на основе сверхпроводника Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x длиной 2,5 км с критической температурой –165 °С планируется ввести в эксплуатацию в 2020 году соединит две подстанции в Санкт-Петербурге.

Высокоскоростной транспорт


Способность сверхпроводников создавать мощное и устойчивое магнитное поле нашла применение в транспорте. В начале 1970-х был создан первый прототип поезда на магнитной подушке (германский Transrapid 02), а в 1984 году первый коммерческий маглев (от словосочетания «магнитная левитация») начал курсировать между терминалом аэропорта Бирмингема и железнодорожной станцией города (проработал до 1995-го).

Суть технологии проста: состав удерживается над дорожным полотном силой электромагнитного поля. Она же толкает состав вперед — включение одинаковых по полюсам магнитов отталкивает состав от дороги, а разных — притягивает. Быстрое попеременное включение таких магнитов создает постоянный зазор между полотном со сверхпроводящими электромагнитами и поездом. Благодаря отсутствию трения маглевы способны разгоняться до 500-600 км/ч.

Однако несмотря на относительную простоту технологии, она не получила широкого распространения. Дело в том, что она слишком дорогая. Скажем, шанхайский маглев-аэроэкспресс (в коммерческой эксплуатации с 2004-го года) приносит ежегодный убыток в 93 млн долл.

Поэтому более перспективным применение электромагнитных полей сверхпроводников может быть в дорогостоящих космических проектах. Тот же принцип магнитной левитации предполагается использовать для вывода в космос грузовых кораблей. К примеру, разработчики проекта Startram (ориентировочная стоимость 20 млрд долл.), заявляют, что снизят стоимость отправки одного килограмма космических грузов до 40 долл., построив разгонный туннель, направленный на околоземную орбиту (против нынешних 2500 долл. у SpaceX на Falcon-9).

Разгонный тоннель в проекте Startram. Источник: Сайт проекта Startram

Термоядерные реакторы


Еще одна перспективная область применения сверхпроводниковых магнитов — термоядерные реакторы. Они нужны для создания так называемой магнитной ловушки, для удержания вырабатываемой реактором плазмы. Заряженные частицы вращаются вокруг силовых линий магнитного поля. По сути, намагниченная плазма становится диамагнетиком, который стремится покинуть магнитное поле. Соответственно, если окружить плазму сверхпроводниковыми магнитами, генерирующими мощные поля, плазма будет удерживаться в заданном объеме и не сможет разрушить стенки реактора.

Именно такая технология используется для строительства термоядерного реактора ИТЕР во Франции. В этом проекте принимает участие и Россия, причем именно она была ответственна за поставку во Францию сверхпроводящих кабелей для создания того самого электромагнитного поля, «укрощающего» плазму. Как предполагается, опробованы магниты будут во время первого запуска реактора в 2025 году.

Когда же потеплеет?

Несмотря на более чем вековую историю сверхпроводимости главная мечта всех физиков и инженеров — комнатная температура сверхпроводимости, которая позволит использовать сверхпроводники максимально широко в быту, — пока не достигнута. Последний рекорд в этой области поставлен совсем недавно, в мае 2019 года: международная группа учёных экспериментировала с экзотическим соединением — гидридом лантана (Lah20). Получить этот материал очень сложно. Для этого нужна высокая температура и большое давление, отчего вырабатываемые образцы гидрида лантана микроскопически малы. Тем не менее, ученым удалось проверить, как этот материал взаимодействует с магнитным полем. При температуре –23 °С он вытолкнул магнитное поле, чем доказал свою сверхпроводимость. Пока что это самый теплый сверхпроводник, который мы знаем. Однако работа по поиску более тёплых сверхпроводников не останавливается, она продолжается. И как только будут достигнуты новые успехи в этой сфере, мы сразу сообщим.

Анализ срывов сверхпроводимости магнитов Большого адронного коллайдера в CERN / Блог компании COMSOL / Хабр

В Большом адронном коллайдере (БАК), подземном ускорителе частиц длиной 27 километров, пересекающем границу между Швейцарией и Францией, два пучка частиц сталкиваются друг с другом, двигаясь со скоростью, близкой к скорости света. Результаты высокоэнергетических столкновений дают нам информацию о фундаментальных взаимодействиях и простейших составляющих материи. Для того, чтобы удерживать пучки на круговой траектории внутри ускорителя, требуется постоянное воздействие магнитного поля. Отвечают за это сверхпроводящие дипольные магниты, которые с помощью сильного магнитного поля отклоняют пролетающий сгусток частиц на небольшой угол.

Разработка и поддержание работоспособности таких комплексных электротехнических систем — очень важная инженерная задача, в которой используются современные инновационные решения. В своей заметке мы расскажем о том, как с помощью мультифизического моделирования в COMSOL Multiphsycics® инженеры Европейского центра ядерных исследований (CERN) исследовали переходные процессы в сверхпроводящих магнитах и магнитных цепях БАК для создания системы защиты от отказов, которая позволит избежать дорогостоящего простоя систем охлаждения коллайдера.

Изображение предоставлено ЦЕРН. ©CERN.

Мощные дипольные магниты, потребляющие до 12 кА тока и создающие магнитные поля до 8,33 Тл, поддерживают движение частиц внутри БАК по круговой траектории. Магниты (рис. 1) охлаждаются до температуры 1,9 К — ниже, чем в открытом космосе, — чтобы обмотки магнитов (рис. 2) оставались в сверхпроводящем состоянии. Теоретически, такие режимы работы должны обеспечивать постоянную циркуляцию тока в обмотках магнитов без резистивных потерь. На самом же деле, обмотки могут на некоторое время частично переходить из сверхпроводящего в нормальное состояние.

Рис.1. Подробный вид апертуры главного дипольного магнита. Сверхпроводящие обмотки удерживаются поясами из аустенитной стали, выдерживающими электромагнитные силы величиной 2 МН/м на четверть катушки (квадрант) при номинальном магнитном поле.

Рис. 2. Слева: поперечное сечение главного дипольного магнита БАК. Красным и синим отмечены сверхпроводящие обмотки, удерживающие частицы на круговой траектории. Серым отмечено железное ярмо. Справа: сильноточные сверхпроводящие магниты БАК, включающие кабели из сверхпроводящих микрожил в медном каркасе.

К этому могут приводить местные повышения температуры из-за механического перемещения, потерь по переменному току, а также потерь, связанных с обращающимися высокоэнергетическими пучками протонов. Такие потери возникают по всей окружности установки, когда частицы отклоняются от идеальной траектории и сталкиваются с окружающим ускорительным оборудованием, например с магнитами. Если энергия столкновения достаточно высока, происходит местный скачкообразный переход материала обмотки из сверхпроводящего в нормальное состояние — срыв сверхпроводимости (в английской терминологии — quench). Сверхпроводящее состояние материала характеризуется так называемой критической поверхностью, которая определяется критической температурой, плотностью электрического тока и магнитным полем, действующими на сверхпроводник (рис. 3). Переход за критическую поверхность вызывает переход от сверхпроводящего к резистивному состоянию и приводит к срыву сверхпроводимости магнита.

После перехода в резистивное состояние при срыве, если не предпринимать никаких защитных мер, обмотка магнита рассеивает всю электромагнитную энергию, накопленную в ее объеме. В одном дипольном магните БАК запасено около 7 МДж энергии — достаточно, чтобы расплавить более 10 кг меди. Рассеивание в обмотках мегаватт энергии может привести к большим перепадам температуры. Отметим, что во всех 1232 основных дипольных магнитах БАК запасено примерно 9 ГДж энергии — столько же, сколько в 1,5 тоннах динамита. В маловероятном случае срыва сверхпроводимости при номинальной энергии и без защиты мощные магниты ускорителя, скорее всего, будут невосстановимо повреждены. На замену неисправного магнита потребуется до нескольких месяцев, в течение которых работать с пучками частиц будет невозможно, т.е. установка будет простаивать.

Лоренцо Борто, исследователь и инженер-электротехник в ЦЕРН, разработал двухмерную конечноэлементную электротермическую модель сверхпроводящих магнитов, которая включает исследование во временной области и позволяет оценивать, насколько хорошо новейшие технологические решения подходят для автоматических систем реагирования на срыв сверхпроводимости.

При нормальной работе магниты в основном находятся в стационарном состоянии, и их поле (рис. 3) направляет частицы по кольцу БАК. Обмотки магнитов сверхпроводящие, поэтому измеряемое падение напряжения на магнитах равно нулю, а джоулевых потерь почти нет. Специализированные электронные системы следят за магнитами и быстро реагируют на внезапное падение напряжения на сопротивлении обмотки или между соседними магнитами. Как только сигнал превысит пороговое напряжение в течение минимального контрольного времени, система обнаружения срыва сверхпроводимости активирует защитные меры.

Рис. 3. Слева: Критическая поверхность для ниобий-титанового сплава — сверхпроводящего материала магнитов. Справа: Магнитные поля в системе при номинальном приложенном токе

в сверхпроводящем состоянии.

Система защиты должна быть правильно спроектирована и подстроена под контролируемый ею магнит, а электронная часть системы — правильно настроена и оптимизирована. С одной стороны, система обнаружения должна быть достаточно чувствительной, чтобы не пропустить срыв сверхпроводимости. С другой стороны, слишком строгие критерии срабатывания могут привести к ложным тревогам. Это приостановит работу на БАК и на несколько часов выведет установку из строя, снижая ее техническую готовность.

Система защиты магнитов от срыва сверхпроводимости использует простую, но эффективную стратегию — распространение области срыва на весь магнит, увеличивая объем, в котором рассеивается энергия, и не позволяя части магнита поглотить всю запасенную энергию.

«Мы нагреваем сам магнит, чтобы увеличить размеры нормально проводящей области и рассеять запасенную в магните энергию во всем объеме обмотки», — объясняет Л.Борто. Это парадоксальный ход: если магнит работает нормально, мы охлаждаем его, насколько можем, и поддерживаем в сверхпроводящем состоянии, но при первом же отказе нам требуется нагреть весь магнит как можно быстрее. И здесь очень важна равномерность температуры».

Новая, но очень многообещающая технология защиты от срыва сверхпроводимости, недавно разработанная в ЦЕРН, получила название «система срыва сверхпроводимости за счет индукционных потерь» (Coupling-Loss Induced Quench system, CLIQ). Основная ее составляющая — заряженная батарея конденсаторов, подключенная параллельно обмотке магнита. При срабатывании система вызывает резонанс LC-контура, создавая колебательное магнитное поле внутри магнита.

Поле, в свою очередь, создает индукционные и вихревые токи в кабелях, в том числе на уровне отдельных жил кабеля. Обмотки магнита равномерно нагреваются изнутри в похожем на микроволновой нагрев процессе. Система CLIQ преследует две цели: увеличить объем, в котором возникают вихревые токи, и уменьшить время, в течение которого эти потери переводят сверхпроводящий кабель в резистивное состояние выше критической температуры. Рассеяние энергии в резистивном состоянии определяется джоулевым нагревом, который происходит по всей длине обмотки, а не в одной области, при этом область срыва сверхпроводимости и область джоулева нагрева распространяются максимально равномерно.

Группа инженеров-электротехников в ЦЕРН также занимается внедрением модульного подхода к моделированию переходных эффектов в цепях магнитов ускорителя на основе набора коммерческих САПР. Лоренцо Борто, специализирующийся на использовании программного обеспечения COMSOL Multiphsycics® и языка программирования Java®, разработал уникальную численную модель, описывающую электродинамику и термодинамику распространения срыва сверхпроводимости. Чтобы учесть все возможные вычислительные трудности при моделировании указанных ресурсоемких процессов, потребовались тщательная подготовка и набор гибких инструментов.

Поперечное сечение дипольного магнита БАК состоит из нескольких сотен подобластей, каждая из которых соответствует полувитку витого кабеля обмотки (слева на рис. 4). Срыв сверхпроводимости в полувитках происходит неодновременно. Из-за местного характера срыва его зона распространяется по поперечному сечению, демонстрируя сложное для моделирования поведение.

«Важно правильно учесть и согласовать взаимное влияние термодинамики и электродинамики, — объясняет Борто. — Чтобы численно описать такую геометрию, в которой срыв в каждом полувитке может происходить независимо, требуется отдельный набор уравнений для каждой подобласти».

Рис. 4. Слева: геометрия сечений магнита. Справа: сетка конечноэлементной модели сечений магнита.

Чтобы описать электродинамику и термодинамику процесса срыва, требуется смоделировать поведение системы в масштабах порядка метров (размер поперечного сечения магнита) и порядка микрометров (вследствие малого диаметра жил кабеля). Кроме того, процесс срыва развивается за несколько микросекунд и распространяется за несколько миллисекунд, а полная потеря энергии магнитом может занять до одной секунды. Таким образом, исследователям пришлось одновременно изучать три разных временных масштаба.

«Это мультифизическая многоуровневая и мультимасштабная задача, в которой зависящие друг от друга явления развиваются в различных пространственных и временных масштабах», — объясняет Борто.

Большая часть программного обеспечения для моделирования не позволила бы создать эффективную вычислительную модель, поскольку для этого потребовалась бы сетка, покрывающая шесть порядков величины, и шаг решателя, определяемый самым малым временным масштабом, приводя к огромным объемам данных и чрезмерным затратам времени.

Чтобы обойти это затруднение, группа ученых в ЦЕРН применила выражение для эквивалентной намагниченности для изучения системы, используя функционал программного обеспечения COMSOL (рис. 5). Вместо того чтобы рассчитывать в микрометровом масштабе пути индукционных токов, возникающих в сверхпроводящих кабелях, инженеры смоделировали эти паразитные токи через их эквивалентный вклад в результирующее магнитное поле.

«Мы использовали формулировку на основе эквивалентной намагниченности, пропорциональной производной поля через некоторую постоянную времени, — говорит Борто. — Это комбинация законов Фарадея-Неймана-Ленца и Ампера-Максвелла. Это возможно при знании пути протекания индукционных токов в кабеле, что позволяет задать эквивалентную постоянную времени».

Рис. 5. Эквивалентная намагниченность, создаваемая вихревыми токами (А/м) при линейном росте со скоростью 100 А/с и величине 8 кА.

Для указанных преобразований Л.Борто воспользовался гибкими возможностями редактирования стандартных уравнений Максвелла и замены переменных в COMSOL. Изменив уравнения, которые решаются в ПО, он смог подстроить стандартную формулирувку на основе векторного магнитного потенциала для своих задач. Кроме того, крайне важным этапом было получение удобного доступа к предыдущему временному шагу решения для вычисления производной поля.

«Так как мы уже учитываем индукционные токи в эквивалентной намагниченности, нам не требуются дополнительные циркулирующие токи, — отмечает Борто. — Я отключил индукционные токи в области обмотки, и это сильно упростило работу. Я бы сказал, это стало краеугольным камнем архитектуры нашего решения».

Моделирование на основе уравнений пользователя в COMSOL

Короткий видеообзор (на рус.), в котором продемонстрировано, как использовать алгоритмы и уникальные инструменты моделирования COMSOL Multiphysics® для решения произвольных систем алгебраических и дифференциальных уравнений, а также для модификации существующих физических интерфейсов.

Не моделируя индукционные токи в явном виде, ученые также смогли значительно упростить сетку (справа на рис. 4).

Сложно было не только согласованно и эффективно смоделировать физику системы, но и воссоздать на практике реалистичную модель устройства. При сверхнизких температурах сильно нелинейные свойства материалов описываются сложными численными структурами, которые эффективно реализуются и управляются внешними функциями на языке C, организованными в общую совместно используемую библиотеку. Кроме того, каждый полувиток обмотки описывается своим набором переменных и операторов и имеет собственный слой изоляции микрометровой толщины. В точной модели распространения срыва сверхпроводимости важно учитывать этот слой, который возможно смоделировать за счет встроенного в пакет граничного условия для тонкого слоя, не требующего явного построения сетки по толщине.

Сборка этих повторяющихся подблоков была автоматизирована, чтобы сэкономить время и избежать влияния человеческого фактора и соответствующих ошибок. Именно поэтому конечноэлементная (FEM) модель поперечного сечения магнита создается и собирается отдельным алгоритмом на языке Java®, превращающим пользовательские входные данные в распределенную модель с помощью прикладного программного интерфейса (API) COMSOL. Такой прием обеспечивает достаточную гибкость используемого метода конечных элементов при его адаптации под различные типы магнитов.

Моделирование индукционных токов через эквивалентную намагниченность позволило ученым сразу же рассчитывать потери и выражать их как функцию от колебаний магнитного поля. Группа пришла к выводу, что колебания магнитного поля непосредственно рассеиваются в виде потерь на индукционные токи.

Одним из главных достижений стало моделирование процесса срыва сверхпроводимости в главном дипольном магните БАК после внезапной активации системы защиты CLIQ для предотвращения последствий срыва. Модель, учитывающая нелинейные свойства материалов, зависящие от температуры и магнитного поля, демонстрирует колебания магнитного поля и вызванные колебаниями потери на вихревые и индукционные токи (слева на рис. 6) в сверхпроводнике, распространение срыва сверхпроводимости и вызванный им резистивный нагрев (по центру на рис. 6), а также итоговое распределение температуры из-за накопления тепловых потерь в обмотке (справа на рис. 6).

Рис. 6. Слева: Потери (в Вт/м3) в отметках на вихревые токи, создаваемые системой CLIQ. По центру: омические потери (в Вт/м3) из-за распространения срыва сверхпроводимости. Справа: Распределение температуры (в К) в обмотках после срыва сверхпроводимости продолжительностью 500 мс.

Конструкция системы CLIQ также была проверена независимо путем решения уравнения теплового баланса, при этом было подтверждено, что магнит достигает температуры, требуемой для распространения срыва по его объему, а обмотка получает нужное количество энергии. Кроме того, модель позволила установить сосредоточенные параметры, связанные со срывом: сопротивление обмотки и падение напряжения по времени (рис. 7), которые можно использовать как входные данные при моделировании внешних электрических цепей магнита.

Рис. 7. Результаты, полученные в COMSOL, при моделировании срыва сверхпроводимости. Вверху: рост омического сопротивления в обмотке. Внизу: напряжение, измеряемое на выводах обмотки.

Модель Борто позволяет воспроизвести взаимосвязанные физические явления, возникающие при быстром рассеивании энергии, и глубоко изучать явление срыва сверхпроводимости в магнитах.

Эти модели сейчас адаптируются для проектируемых и сооружаемых магнитов, предназначенных для модернизации БАК с целью повышения светимости (High Luminosity), а также для будущего кольцевого коллайдера следующего поколения (Future Circular Collider). Также будет исследована возможность расширения моделей на трехмерные задачи (рис. 8). Моделирование, идущее одновременно с процессом проектирования, помогает и поддерживает разработку новых систем обнаружения и защиты от срыва сверхпроводимости. Работа группы ученых поможет защитить нынешние и будущие ускорители от последствий срыва и позволит исследователям продолжать изучение природы материи без опасения повредить сверхпроводящие магниты.

Рис. 8. Предлагаемая геометрия и сетка для будущей трехмерной модели.

Рис. 9. Слева направо: Лоренцо Борто (Lorenzo Bortot), Михал Мацеевский (Michal Maciejewski) и Марко Приоли (Marco Prioli).

Статья основана на материалах журнала IEEE Spectrum. Multiphysics Simulation Insert 2017 (на рус.).

Основные темы номера

  • Пьезоэлектрические вентиляторы (Nokia Bell Labs)
  • Защитные системы БАК (CERN)
  • Проектирование электродвигателей (Faraday Future)
  • Компоненты оборудования для сетей 5G (Signal Microsystems)
  • Топливные элементы с ионообменной мембраной (Национальная химическая лаборатория Индии)
  • Производство чипов памяти (Besi Switzerland AG)
  • Приложения для моделирования и образование (Университет Хартфорда)
  • Приложения для моделирования и аддитивные технологии (МТС)
  • Оптоволоконные датчики давления (Университет Кампинас (Unicamp) и Институт

    передовых исследований (IEAv))
  • Моделирование литий-ионных батарей (COMSOL)

Презентация результатов данной работы (L. Bortot, M. Maciejewski, M. Prioli, A.M. Fernandez Navarro, S. Schöps, I. Cortes Garcia, B. Auchmann, A.P. Verweij. Simulation of Electro-Thermal Transients in Superconducting Accelerator Magnets with COMSOL Multiphsycics®) состоялась на конференции пользователей COMSOL Conference 2016 (Германия): подробное описание и презентация (на англ.).

Для более подробного знакомства с возможностями нашего пакета приглашаем поучаствовать в нашем новом вебинаре «Основы электротехнических расчетов в COMSOL Multiphsycics®«, который состоится 25 июля 2018 года.

Подробнее о вебинаре

Бесплатная регистрация: http://comsol.ru/c/79vj

Модуль AC/DC содержит целый набор физических интерфейсов для анализа явлений, относящихся к различным областям электротехники: электростатика, электрические токи и поля, магнитостатика и переменные электромагнитные поля с учетом индукционных эффектов. В данном вебинаре мы систематизируем всю обширную информацию о данных возможностях пакета COMSOL Multiphysics® и расскажем о доступных инструментах, настройках и функциях, позволяющих:

  • Проводить расчеты электростатических и резистивных устройств и связанных эффектов
  • Моделировать индукторы, трансформаторы, электрические машины, постоянные магниты и другое магнитное оборудование
  • Исследовать связанные междисциплинарные эффекты: нагрев и охлаждение электротехники (в т.ч. джоулев и индукционный нагрев), электрические пробои в электротехнике, эффекты в плазме, трассировку заряженных частиц, электромеханические и МЭМС-системы.

В качестве примера будет проведена демонстрация сборки модели трансформатора в динамике с учетом нелинейного сердечника и нагрузки. Вебинар завершится сессией вопросов и ответов.

Магнит сверхпроводящий — это… Что такое Магнит сверхпроводящий?

        Соленоид или Электромагнит с обмоткой из сверхпроводящего материала. Обмотка в состоянии сверхпроводимости (См. Сверхпроводимость) 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 М. с., исключительно стабильно и лишено пульсаций, что важно для ряда приложений в научных исследованиях и технике.
         Обмотка М. с. теряет свойство сверхпроводимости при повышении температуры выше критической температуры (См. Критическая температура) Тк сверхпроводника, при достижении в обмотке критического тока (См. Критический ток) Ik или критического магнитного поля (См. Критическое магнитное поле) Нк. Учитывая это, для обмоток М. с. применяют материалы с высокими значениями Тк, Ik и Нк (см. таблицу).

        Свойства сверхпроводящих материалов, применяемых для обмоток сверхпроводящих магнитов

        

        ————————————————————————————————————————————————————————————

        | Материал                               HK при     | Критическая      | Критическая плотность тока (а/см2)                               |

        |                                               | 4,2 K, кэ  | температура     | в магнитном поле                                                          |

        |                                               |                TK, K                 |—————————————————————————————|

        |                                               |                |                          | 50 кгс          | 100 кгс         | 150 кгс         | 200 кгс         |

        |———————————————————————————————————————————————————————————-|

        | Сплав ниобий – цирконий        | 90            | 10,5                  | 1·105            | 0                  | 0                  | 0                  |

        | (Nb 50% – Zr 50%)                  |                |                          |                    |                    |                    |                     |

        |———————————————————————————————————————————————————————————-|

        | Сплав ниобий – титан             | 120          | 9,8                    | 3·105            | 1·104            | 0                  | 0                  |

        | (Nb 50% – Ti 50%)                  |                |                          |                    |                    |                    |                     |

        |———————————————————————————————————————————————————————————-|

        | Сплав ниобий – олово (Nb3     | 245          | 18,1                  | (1,5–2)·106    | 1·106            | (0,7–1)·105    | (3–5)·104       |

        | Sn)                                         |                |                          |                    |                    |                    |                     |

        |———————————————————————————————————————————————————————————-|

        | Соединение ванадий –           | 210          | 14,5                  | 1·106            | (2–3)·105      | (1,5–2)·105    | (3–5)·104       |

        | галлий (V3Ga)                         |                |                          |                    |                    |                    |                     |

        ————————————————————————————————————————————————————————————

        

         Для стабилизации тока в обмотке М. с. (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 М. с. (с энергией магнитного поля до нескольких сотен кдж) изготавливают с плотно намотанной обмоткой, содержащей 30—50% сверхпроводника в сечении провода. У крупных М. с., 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 Магнит сверхпроводящий100 кгс эквивалентны внутреннему давлению Магнит сверхпроводящий 400 am (3,9․107н/м2). Обычно для придания М. с. 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 М. с. 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 М. с. и замыкающем её проводе начинает циркулировать незатухающий ток.

         Работающий М. с. 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 М. с. энергии в цепи М. с. имеется устройство для вывода энергии на разрядное сопротивление (рис. 4). Предельная напряжённость магнитного поля М. с. 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 М. с. 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 М. с. и его охлаждение приблизительно в 500 раз меньше, чем для обычных электромагнитов. Для обеспечения работы такого М. с. требуется около 100—150 квт, тогда как для эксплуатации аналогичного водоохлаждаемого магнита потребовалась бы мощность Магнит сверхпроводящий40—60 Мвт.

         Значительное число созданных М. с. используется для исследования магнитных, электрических и оптических свойств веществ, в экспериментах по изучению плазмы, атомных ядер и элементарных частиц. М. с. получают распространение в технике связи и радиолокации, в качестве индукторов магнитного поля электромашин. Принципиально новые возможности открывает сверхпроводимость в создании М. с. — индуктивных накопителей энергии с практически неограниченным временем её хранения.

         Лит.: 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.

         Б. Н. Самойлов.

        

        Рис. 1б. Поперечное сечение многожильного комбинированного проводника с 61 нитью (слева) и 1045 нитями (справа) в медной матрице.

        

        Рис. 3. Установка Института атомной энергии им. И. В. Курчатова, в которой испытываются секции сверхпроводящих магнитных систем диаметром около 1 м. В средней части фотографии видна закрепленная на крышке криостата испытываемая секция (С), внизу — цилиндрический криостат (К).

        

        Рис. 1а. Схематическое изображение многожильного сверхпроводящего провода: комбинированный скрученный проводник (1 — сверхпроводящие нити, 2 — матрица).

        

        Рис. 2. Основные элементы конструкции сверхпроводящего магнита: 1 — контакт для присоединения к внешним цепям; 2 — многожильный сверхпроводящий провод в изоляционном покрытии, припаянный к контакту; 3 — рабочий объём соленоида, максимальная напряжённость поля создаётся в его центре; 4 — текстолитовый диск для монтажа контактов и закрепления соленоида в криостате; 5 — металлический каркас соленоида; 6 — сверхпроводящая обмотка; 7 — силовой бандаж обмотки; 8 — изолирующие прокладки между слоями обмотки из полимерной плёнки или лакоткани.

        

        Рис. 4. Схематическое изображение включения сверхпроводящего магнита в цепи питания и защиты (разрядки): 1 — дьюар с жидким азотом; 2 — дьюар с жидким гелием; 3 — соленоид; 4 — нагреватель; 5 — источник питания соленоида; 6 — разрядное сопротивление; 7 — реле защиты; 8 — управляющее устройство.


superconducting magnet — Перевод на японский — примеры английский


Эти примеры могут содержать грубые слова на основании вашего поиска.


Эти примеры могут содержать разговорные слова, основанные на вашем поиске.

Контейнер магнитного поля создается электрическим током, который течет от сверхпроводящего магнита .

さ て 、 磁力 線 の カ ゴ は 、 LHD の 超 伝 導 磁石 に 電流 を す こ と に よ 作 り ま す。

Основные области исследований Технические области Связанные области исследований Электротехника и электроника Материаловедение Ключевые слова Высокотемпературный сверхпроводящий магнит ЯМР Сверхсильное поле

研究 主 分野 工 学 研究 関 分野 電 気 電子 工 学 材料 工 学 キ ー ド 高温 超 伝 導 磁石 核磁 気 共鳴 超高 磁場

Предложена технология, с помощью которой хладагент, газифицированный из-за прекращения подачи электроэнергии и т.п., может быть возвращен в сверхпроводящий магнит с высокой эффективностью.

停電 等 に よ り 気 化 し た い 効率 で 超 電導 磁石 戻 す こ と の で る 技術 を 提供 す る。

Экран также предотвращает попадание тепла в сверхпроводящий магнит .

ま た 、 前 記 シ ー ル ド 、 前 記 超 電導 磁石 へ の の 進入 を 防止 す る。

СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ МАГНИТ , СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭТОГО ЖЕ И ЕГО МЕТОД НАМАГНИЧЕНИЯ

СВЕРХПРОВОДНИК, УСТРОЙСТВО СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО ТОКА И УСТРОЙСТВО СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО МАГНИТА .

Основываясь на этих разработках, RTRI проводил исследования и разработки с темой, направленной на дальнейшее повышение надежности и снижение затрат, таких как высокотемпературный сверхпроводящий магнит и технология обслуживания катушки заземления в качестве базовой разработки технологии сверхпроводящего маглев.

こ の よ う な 進展 を 踏 ま え て, 鉄 道 総 研 で は 超 電導 リ ニ ア に 関 す る 基礎 技術 開 発 と し て 高温 超 電導 磁石 , 地上 コ イ ル の メ ン テ ナ ン ス 技術 な ど, 更 な る 信 頼 性 向上 や コ ス ト 低 減 を 目 指 し た テ ー マ に つ い て 推進 し て い ま す.

Это устройство имеет два контура, которые могут циркулировать расплавленную соль фторида и свинец лития по отдельности, и сверхпроводящий магнит , который генерирует до 30 000 Гс, и среди аналогичных испытательных устройств он может похвастаться высочайшей производительностью в мире.

本 装置 は 、 前述 の フ 化 融 塩 と リ チ ウ ム 鉛 を に 循環 で き る る 2 種類 の ル と 、 最 最 3 万 ガ を 発 す 発 生 す 発高級 の 性能 を 誇 り ま す。

Влияние вибрации на сверхпроводящий магнит во время работы является наибольшим на резонансной частоте, когда весь магнит подвергается действию вертикальной силы кручения от катушек левитации и поперечной изгибающей силы от катушек движителя.

行時 に 超 電導 磁石 に 加 わ る 振動 影響 と し て 最 大 き の は 共振 時 の 振動 で コ イ ル に に.

Ему впервые в мире удалось создать сверхпроводящее покрытие на поверхности человека, он получил премию Nikkei BP, приз за выдающиеся достижения в области сверхпроводимости Всемирного конгресса 1991 г. и др. Ему также удалось разработать самый мощный в мире объемный сверхпроводящий магнит , и его исследования были опубликованы в журнале Nature.

で は じ め て 超 る 浮上 に 成功 、 日 経 BP 賞 、 1991 Всемирный конгресс за выдающиеся достижения в области сверхпроводимости な ど を ま た 、 世界 ル 超て い る。

В обоих случаях дополнительные магнитные поля (создаваемые катушками или сталью) добавляют к общему магнитному полю сверхпроводящего магнита таким образом, чтобы увеличить однородность общего поля.

ど ち ら の 場合 も 、 る は 鉄 に よ っ て 作 れ た 追加 が 、 が り り 均一 に

Как правило, основной причиной высокого уровня шума является деформация катушки градиентного магнитного поля или ее рамы в результате включения и выключения тока катушки для катушки градиентного магнитного поля сверхпроводящего магнита .

一般 に МРТ 装置 の 主要 な 騒 音 の 1 つ は, 超 電導 磁石 の 傾斜 磁場 コ イ ル 電流 コ イ ル 電流 の オ ン · オ フ に よ っ て, 傾斜 磁場 コ イ ル ま た は そ の フ レ ー ム が た わ む こ と に よ っ て 発 生 す る も の で あ る.

Темой 1-го сеанса Ā @ второго дня были «Меры безопасности для низкотемпературного оборудования и газового оборудования высокого давления на ускорительных установках», и были доклады о мерах безопасности, касающихся систем сверхпроводящего магнита J- Экспериментальная установка PARC Neutrino и меры по предотвращению кислородного голодания при работе с элегазом на тандемном ускорителе НИИ ядерной науки.

2 日 目 は, 加速器 施 設 に お け る 低温 設備 · 高 圧 ガ ス 設備 に 関 す る 安全 対 策 の テ ー マ で, J-PARC ニ ュ ー ト リ ノ 実 験 施 設 の 超 伝 導 磁石 シ ス テ ム に お け る 安全 の 取 り 組 み, 原子 力 科学 研究所 ダ ン デ ム 加速器 で の SF6 ガ ス 取 り 扱 い時 の 酸 欠 防止 対 策 に つ い て ま し た。

С помощью этой технологии газовый мешок (125), который поддерживает постоянное внутреннее давление за счет расширения и сжатия в зависимости от объема газа внутри, соединяется с резервуаром для хладагента сверхпроводящего магнита (101) и хладагентом. газ, образующийся при остановке охлаждающего устройства (107) во время отключения электроэнергии, сохраняется внутри сосуда с охлаждающей жидкостью.

そ の た め に 、 超 電導 磁石 101 の 冷媒 容器 に 、 内部 の ガ に 応 じ て 伸縮 す る に よ り 内 圧 一定 す 107 107 冷却器冷媒 容器 内 に 発 生 し た 冷媒 ガ ス 蓄 え る。

МЕТОД ЗАЩИТЫ СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ КАТУШКИ И УСТРОЙСТВО СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ МАГНИТ

ХОЛОДНАЯ ГОЛОВКА, СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ МАГНИТ , КОНТРОЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И КРИОНАСОС

コ ー ル ド ヘ ッ ド 、 超 電導 磁石 、 検 査 装置 、 お よ ク ラ イ オ ポ ン プ

СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ МАГНИТ , МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ И МЕТОД РАСЧЕТА ХОЛОДИЛЬНОЙ МОЩНОСТИ КРИО-ОХЛАДИТЕЛЯ

超 電導 磁石 、 磁 気 共鳴 イ ジ ン グ 装置 、 及 び イ オ ク ー の 冷却 能力 算出 方法

РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ СРЕДЫ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ, ГРУППА ЧАСТИЦ РЕДКИХ ЗЕМЕЛЬНЫХ СРЕД И ХОЛОДНАЯ ГОЛОВКА, ИСПОЛЬЗУЯ ОДИН СУПЕРПРОВОДНИК МАГНИТ , КОНТРОЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И КРИОНАСОС

希 土 類 蓄冷 材 粒子 、 希 土 類 材 粒子 群 お よ び そ た コ ー ル ド ヘ ッ ド 、 超 電導 磁石 検 、 ク ラ ポ

Это делается во внешнем магнитном поле, создаваемом сверхпроводящим магнитом .

こ の 実 験 は 超 電導 磁石 で 発 生 さ せ た 外部 磁場 を 用 て 行 わ れ た。

В результате совместной разработки с Университетом Тохоку появился сверхпроводящий магнит мощностью 12 тесла .

そ の よ う な 中 、 東北 大 と の 共同 開 発 で 誕生 し た の が 12 テ ス ラ の 超 電導 磁石

% PDF-1.6
%
2275 0 obj>
endobj

xref
2275 270
0000000016 00000 н.
0000016644 00000 п.
0000016781 00000 п.
0000016919 00000 п.
0000016972 00000 п.
0000018616 00000 п.
0000019099 00000 н.
0000019361 00000 п.
0000019561 00000 п.
0000019922 00000 п.
0000020229 00000 п.
0000021578 00000 п.
0000021635 00000 п.
0000021680 00000 п.
0000021726 00000 п.
0000021945 00000 п.
0000022233 00000 п.
0000022406 00000 п.
0000022620 00000 п.
0000022707 00000 п.
0000023335 00000 п.
0000023543 00000 п.
0000023740 00000 п.
0000025978 00000 п.
0000026189 00000 п.
0000026312 00000 п.
0000027700 00000 н.
0000027896 00000 н.
0000028171 00000 п.
0000028368 00000 п.
0000028643 00000 п.
0000028842 00000 п.
0000029202 00000 н.
0000029510 00000 п.
0000030488 00000 п.
0000030707 00000 п.
0000030985 00000 п.
0000031193 00000 п.
0000031370 00000 п.
0000033604 00000 п.
0000033815 00000 п.
0000033939 00000 п.
0000035461 00000 п.
0000035686 00000 п.
0000035961 00000 п.
0000036190 00000 п.
0000036550 00000 п.
0000036858 00000 п.
0000037831 00000 п.
0000038046 00000 п.
0000038294 00000 п.
0000038502 00000 п.
0000038647 00000 п.
0000040458 00000 п.
0000040669 00000 п.
0000040790 00000 п.
0000042237 00000 п.
0000042461 00000 п.
0000042736 00000 н.
0000042963 00000 п.
0000043324 00000 п.
0000043630 00000 п.
0000044728 00000 п.
0000044941 00000 п.
0000045207 00000 п.
0000045415 00000 п.
0000045582 00000 п.
0000047605 00000 п.
0000047816 00000 п.
0000047931 00000 п.
0000049455 00000 п.
0000049680 00000 п.
0000049955 00000 н.
0000050185 00000 п.
0000050547 00000 п.
0000050854 00000 п.
0000052571 00000 п.
0000052806 00000 п.
0000053078 00000 п.
0000053316 00000 п.
0000053530 00000 п.
0000053668 00000 п.
0000055387 00000 п.
0000055595 00000 п.
0000055769 00000 п.
0000057881 00000 п.
0000058092 00000 п.
0000058223 00000 п.
0000059958 00000 н.
0000060154 00000 п.
0000060429 00000 п.
0000060626 00000 п.
0000060900 00000 п.
0000061100 00000 п.
0000061461 00000 п.
0000061768 00000 п.
0000062797 00000 п.
0000063020 00000 п.
0000063250 00000 п.
0000063456 00000 п.
0000063670 00000 п.
0000063773 00000 п.
0000065007 00000 п.
0000065215 00000 п.
0000065347 00000 п.
0000066916 00000 п.
0000067127 00000 п.
0000067252 00000 п.
0000068808 00000 п.
0000069008 00000 п.
0000069370 00000 п.
0000069678 00000 п.
0000070399 00000 п.
0000070600 00000 п.
0000070826 00000 п.
0000071034 00000 п.
0000071160 00000 п.
0000072612 00000 п.
0000072823 00000 п.
0000072932 00000 п.
0000074064 00000 п.
0000074242 00000 п.
0000074513 00000 п.
0000074710 00000 п.
0000074979 00000 п.
0000075179 00000 п.
0000075541 00000 п.
0000075849 00000 п.
0000076557 00000 п.
0000076818 00000 п.
0000077029 00000 п.
0000077194 00000 п.
0000079812 00000 п.
0000080036 00000 п.
0000080311 00000 п.
0000080540 00000 п.
0000080902 00000 п.
0000081210 00000 п.
0000082793 00000 п.
0000083048 00000 п.
0000083360 00000 п.
0000083568 00000 п.
0000083762 00000 п.
0000086441 00000 п.
0000086652 00000 п.
0000086810 00000 п.
0000088754 00000 п.
0000088933 00000 п.
0000089204 00000 п.
0000089383 00000 п.
0000089655 00000 п.
0000089834 00000 п.
00000

00000 п.
00000

00000 п.
0000090560 00000 н.
0000090773 00000 п.
0000091136 00000 п.
0000091446 00000 п.
0000092385 00000 п.
0000092499 00000 п.
0000092537 00000 п.
0000095186 00000 п.
0000095334 00000 п.
0000095482 00000 п.
0000095630 00000 п.
0000095786 00000 п.
0000095935 00000 п.
0000096056 00000 п.
0000096178 00000 п.
0000096293 00000 п.
0000096391 00000 п.
0000096506 00000 п.
0000096604 00000 п.
0000096722 00000 н.
0000096820 00000 н.
0000096938 00000 п.
0000097135 00000 п.
0000097409 00000 п.
0000097609 00000 п.
0000097970 00000 п.
0000098277 00000 п.
0000099028 00000 н.
0000099255 00000 н.
0000099481 00000 п.
0000099689 00000 н.
0000099815 00000 н.
0000101284 00000 н.
0000101495 00000 п.
0000101622 00000 н.
0000103207 00000 н.
0000103419 00000 п.
0000103690 00000 н.
0000103804 00000 п.
0000103920 00000 н.
0000104106 00000 п.
0000104198 00000 п.
0000104291 00000 н.
0000104384 00000 п.
0000104477 00000 н.
0000104751 00000 п.
0000105134 00000 п.
0000105595 00000 п.
0000109614 00000 н.
0000109936 00000 н.
0000110316 00000 п.
0000110813 00000 н.
0000115045 00000 н.
0000115111 00000 п.
0000115149 00000 н.
0000115707 00000 н.
0000116367 00000 н.
0000117014 00000 н.
0000117327 00000 н.
0000117599 00000 н.
0000118203 00000 н.
0000122933 00000 н.
0000123238 00000 н.
0000123410 00000 н.
0000123936 00000 н.
0000124339 00000 н.
0000125098 00000 н.
0000126275 00000 н.
0000126647 00000 н.
0000127489 00000 н.
0000128381 00000 н.
0000129427 00000 н.
0000129804 00000 н.
0000130698 00000 п.
0000130982 00000 п.
0000131363 00000 н.
0000132337 00000 н.
0000140776 00000 н.
0000141749 00000 н.
0000144442 00000 н.
0000152039 00000 н.
0000155222 00000 н.
0000158924 00000 н.
0000158954 00000 н.
0000165486 00000 н.
0000165533 00000 н.
0000165583 00000 н.
0000165633 00000 н.
0000165683 00000 н.
0000165731 00000 н.
0000165846 00000 н.
0000165959 00000 н.
0000166073 00000 н.
0000166187 00000 н.
0000166304 00000 н.
0000166419 00000 н.
0000166469 00000 н.
0000166585 00000 н.
0000166698 00000 н.
0000166813 00000 н.
0000166929 00000 н.
0000167045 00000 н.
0000167158 00000 н.
0000167273 00000 н.
0000167388 00000 н.
0000167502 00000 н.
0000167615 00000 н.
0000167730 00000 н.
0000167844 00000 н.
0000167894 00000 н.
0000168008 00000 н.
0000168121 00000 н.
0000215633 00000 н.
0000233128 00000 н.
0000235323 00000 п.
0000005814 00000 н.
трейлер
] >>
startxref
0
%% EOF

2544 0 obj> поток
# & 4ܲ m; 9V! I 擋! ܧ x «-

Двигатель со сверхпроводящим магнитом

Уведомление о конфиденциальности для «Бесплатная энергия | поиск бесплатной энергии и обсуждение бесплатной энергии»

В соответствии с законодательством Европейского Союза мы обязаны информировать пользователей, осуществляющих доступ к «сверхъединству».com «изнутри
ЕС о файлах cookie, которые использует этот сайт, и информации, которую они содержат, а также о предоставлении им средств
для «согласия» — другими словами, разрешить сайту устанавливать файлы cookie.
Файлы cookie — это небольшие файлы, которые хранятся в вашем браузере, и у всех браузеров есть опция, с помощью которой вы можете проверять
содержимое этих файлов и при желании удалите их.

В следующей таблице подробно указано имя каждого файла cookie, его источник и то, что мы знаем об информации.
этот файл cookie хранит:

Cookie

Происхождение

Стойкость

Информация и использование

ecl_auth сверхъединство.com Истекает через 30 дней Этот файл cookie содержит текст «Закон ЕС о файлах cookie — файлы cookie LiPF разрешены».
Без этого файла cookie программное обеспечение Форумов не может устанавливать другие файлы cookie.
SMFCookie648 overunity.com Истекает согласно выбранной пользователем продолжительности сеанса Если вы входите в систему как участник этого сайта, этот файл cookie будет содержать ваше имя пользователя, зашифрованный хэш
ваш пароль и время входа в систему.Он используется программным обеспечением сайта для обеспечения таких функций, как указание
Вам указываются новые сообщения форума и личные сообщения. Этот файл cookie необходим для правильной работы программного обеспечения сайта.
PHPSESSID overunity.com Только текущая сессия Этот файл cookie содержит уникальное значение идентификации сеанса. Он установлен как для участников, так и для
не-члены (гости), и это важно для правильной работы программного обеспечения сайта.Этот файл cookie не является постоянным
и должен автоматически удаляться при закрытии окна браузера.
pmx_upshr {ИМЯ} overunity.com Только текущая сессия Эти файлы cookie настроены для записи ваших предпочтений отображения для страницы портала сайта, если панель
или отдельный блок свернут или развернут
pmx_pgidx_blk {ID} overunity.com Только текущая сессия Эти файлы cookie предназначены для записи номера страницы для страницы портала сайта, если страница для
индивидуальный блок изменен.
pmx_cbtstat {ID} overunity.com Только текущая сессия Эти файлы cookie настроены на запись состояния раскрытия / свертывания содержимого блока CBT Navigator.
pmx_poll {ID} overunity.com Только текущая сессия Эти файлы cookie настроены для записи идентификатора текущего опроса в блоке с несколькими опросами.
pmx_ {fadername} сверхъединство.com Только текущая сессия Эти файлы cookie предназначены для записи состояния блока Opac-Fader.
pmx_LSBsub {ID} overunity.com Только текущая сессия Эти файлы cookie предназначены для записи текущей категории и состояния статического блока категории.
pmx_shout {ID} overunity.com Только текущая сессия Эти файлы cookie настроены на запись текущего состояния блока окна крика.
pmx_php_ckeck overunity.com Время загрузки страницы Этот файл cookie, вероятно, никогда вас не увидит. Устанавливается, если инициирована проверка синтаксиса блока PHP.
и будет удален при выполнении функции.
pmx_YOfs overunity.com Время загрузки страницы Этот файл cookie, вероятно, никогда вас не увидит. Он устанавливается на действия портала, такие как щелчок по номеру страницы.Файл cookie оценивается при загрузке нужной страницы и затем удаляется. Используется для восстановления вертикального положения экрана.
как до щелчка.

Примечания:

1 Нам известно, что Google использует дополнительные файлы cookie, которые он хранит на вашем компьютере, и когда вы просматриваете наш сайт и все другие
места. Они используются для таргетинга рекламы, и в настоящее время Google делает это без вашего разрешения. Четыре из
эти файлы cookie, о которых мы знаем, называются «Rememberme», «NID», «PREF» и «PP_TOS_ACK»
и хранятся в кеше Google на вашем компьютере.
2 Если вы заходите на этот сайт с чужого компьютера, пожалуйста, спросите разрешения владельца, прежде чем
прием файлов cookie.
3 Ваш браузер предоставляет вам возможность проверять все файлы cookie, хранящиеся на вашем компьютере. Кроме того, ваш браузер
отвечает за удаление файлов cookie «только текущего сеанса» и тех, срок действия которых истек; если ваш браузер
не делая этого, вы должны сообщить об этом авторам вашего браузера.
4 Приносим извинения и приносим извинения за любые неудобства участникам и гостям, посещающим наш веб-сайт.
из-за пределов Европейского Союза. В настоящее время мы не можем опросить ваш браузер и получить
информация о местоположении, чтобы решить, предлагать ли вам принимать файлы cookie.

Для получения более подробной информации о файлах cookie и их использовании посетите
Все о файлах cookie

Новый сверхпроводящий магнит побил мировой рекорд

Вернуться наверх

Национальная лаборатория сильного магнитного поля (National MagLab) не новичок в побивании рекордов.В августе команда вернула себе титул «самого сильного резистивного магнита в мире» — после потери его в 2014 году — с помощью своего магнита Project 11, который достиг 41,4 тесла, единицы напряженности магнитного поля. 8 декабря они снова вернулись, чтобы установить новый рекорд: на этот раз для самого мощного в мире сверхпроводящего магнита.

Их новый сверхпроводящий магнит, созданный на установке MagLab в Таллахасси, создал магнитное поле в 32 тесла, что сделало его почти на 33 процента сильнее, чем магнит, который установил предыдущий рекорд (и дал ему прозвище «32T»).Для справки, это в 3000 раз сильнее, чем магниты, которые мы кладем на наши холодильники. Согласно MagLab, мировой рекорд, установленный на прошлой неделе, представляет собой одно из самых больших улучшений, сделанных за последние 40 лет.

«Это революционный шаг в магнитной технологии, настоящая революция в производстве», — сказал Грег Бобингер, директор MagLab, в пресс-релизе. «Эта ультрасовременная конструкция магнита не только позволит нам предлагать новые экспериментальные методы здесь, в лаборатории, но и повысит эффективность других научных инструментов, таких как рентгеновское излучение и рассеяние нейтронов по всему миру.”

Advanced Physics

Сверхпроводники уже жизненно важны для работы целого ряда различных устройств, от аппаратов МРТ до высокоскоростных транспортных систем, от ядерных термоядерных реакторов до огромных коллайдеров частиц. Поэтому ожидается, что этот сверхпроводящий магнит поможет продвинуть исследования в нескольких областях, включая физику, химию, биологию и квантовую материю. Чтобы облегчить его использование, MagLab позволяет ученым со всего мира подавать заявки на возможность его использования.

Однако команда не собирается останавливаться на отметке 32 тесла. Однажды сверхпроводящий магнит может оказаться таким же мощным, как и рекордный в лаборатории резистивный магнит, хотя инженер MagLab Хуб Вейерс, который руководил конструкцией магнита, предвидит, что магниты выйдут еще дальше.

«Мы открыли огромное новое царство», — сказал Вейерс в пресс-релизе. «Я не знаю, что это за предел, но он превышает 100 тесла. Необходимые материалы есть. Между нами и 100 теслами стоят технологии и доллары.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *