Магнит сверхпроводящий

Магнит сверхпроводящий, соленоид или электромагнит с обмоткой из сверхпроводящего материала. Обмотка в состоянии сверхпроводимости обладает нулевым омическим сопротивлением. Если такая обмотка замкнута накоротко, то наведённый в ней электрический ток сохраняется практически сколь угодно долго. Магнитное поле незатухающего тока, циркулирующего по обмотке 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 Т_ксверхпроводника, при достижении в обмотке критического тока I_k или критического магнитного поля Н_к. Учитывая это, для обмоток М. с. применяют материалы с высокими значениями Т_к, I_k и Н_к (см. таблицу).

Свойства сверхпроводящих материалов, применяемых для обмоток сверхпроводящих магнитов
Материал H_K при 4,2 K, кэ Критическая температура T_K, K Критическая плотность тока (а/см²)
в магнитном поле 50 кгс 100 кгс 150 кгс 200 кгс

Сплав ниобий - цирконий
(Nb 50% - Zr 50%) 90 10,5 1-10⁵ 0 0 0
Сплав ниобий - титан
(Nb 50% - Ti 50%) 120 9,8 3-10⁵ 1-10⁴ 0 0
Сплав ниобий - олово (Nb₃Sn) 245 18,1 (1,5-2)-10⁶ 1-10⁶ (0,7-1)-10⁵ (3-5)-10⁴
Соединение ванадий - галлий (V₃Ga) 210 14,5 1-10⁶ (2-3)-10⁵ (1,5-2)-10⁵ (3-5)-10⁴
Для стабилизации тока в обмотке 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. 1), 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 ~100 кгс эквивалентны внутреннему давлению ~ 400 am (3,9×10⁷ н/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 Т_к, 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 ~40-60 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.