Лабораторная работа № 1. Ознакомление с техникой получения сверхнизких температур и с использованием явления сверхпроводимости в электрических машинах и аппаратах

Лабораторная работа № 1. Ознакомление с техникой получения сверхнизких температур и с использованием явления сверхпроводимости в электрических машинах и аппаратах

Введение. Цель настоящей работы – ознакомиться с принципом действия и устройством действующей гелиевой ожижительной установки Г-8, с конструкцией сосудов для хранения жидких газов-сосудов Дьюара и криостатов, с основными методами питания сверхпроводящих соленоидов, с конструкцией макетного образца синхронного генератора со сверхпроводящей обмоткой возбуждения, изготовленной на кафедре 310.

В описании лабораторной работы содержатся краткие сведения об основных свойствах сверхпроводников, дается описание принципа действия и устройства детандерной установки для ожижения гелия Г-8, излагается один из методов запитки сверхпроводящих систем, приведено описание конструкции макетного образца синхронного генератора со сверхпроводящей обмоткой возбуждения.

1. Явление сверхпроводимости и возможности его использования в магнитных системах. Сверхпроводимость, открытая голландским ученым Гейке Каммерлинг-Оннесом в 1911 году, заключается в полном исчезновении электрического сопротивления некоторых материалов при приближении их температуры к абсолютному нулю. Экспериментально установлено, что удельное электрическое сопротивление сверхпроводника не более 8·10 -25 Ом·см. В одном из экспериментов [Л.1] исследователи не смогли зафиксировать признаки затухания тока, наведенного в короткозамкнутом сверхпроводящем свинцовом кольце. Ток в этом кольце существовал более двух лет, т. е. все время, пока поддерживалось состояние сверхпроводимости.

Большой интерес, проявляемый к магнитам со сверхпроводящими обмотками, объясняется возможностью относительно просто и дешево получать сильные магнитные поля в больших объемах. Создание сильных магнитных полей в магнитных системах с обмотками из алюминия или меди, охлаждаемых газом или водой, приводит к большому потреблению мощности. Увеличение напряженности магнитного поля в n раз вызывает увеличение тепловых потерь в n² раз.

Сверхпроводящие магниты широко применяются во многих устройствах современной физики, энергетики, в космических исследованиях, в медицине и других областях науки и техники. К настоящему времени открыто около тысячи сверхпроводящих материалов, подавляющее большинство из которых составляют сплавы и соединения, и лишь 26 из них – чистые металлы. Свойства чистых металлов и сверхпроводящих сплавов резко различаются (см. таблицу 1).

Наиболее характерными свойствами чистых металлов являются их полный диамагнетизм и легкость потери ими сверхпроводимости. Для сверхпроводящих сплавов характерны весьма высокие величины магнитного поля и тока, переводящие их из сверхпроводящего в нормальное состояние.

Все сверхпроводники делятся на две основные группы:

-  сверхпроводники первого рода (мягкие), к которым относятся все чистые сверхпроводящие металлы кроме ниобия,

-  сверхпроводники второго рода (жесткие), к которым относятся ниобий и все сверхпроводящие сплавы и соединения.

Для изготовления сверхпроводящих обмоток в отечественной технике используется сверхпроводящий сплав марки 65БТ, содержащий 65% ниобия, 25% титана и ряд других компонентов, имеющих технологическое назначение. Критическая температура (температура перехода), при которой исчезает электрическое сопротивление, составляет t = 9,7 - 10°К. Критическая плотность тока в поперечном магнитном поле при температуре t = 4,2°К составляет

jкр = (3,5 - 10)×108 А/м2 при В = 3,14 Тл и jкр = (3,5 - 5)×108 А/м2 при В = 9,4 Тл. Удельное электрическое сопротивление при t = 20°К ρ = 49×10-8 Ом·м, при t = 300°К ρ = 70×10-8 Ом·м. Из указанного сплава изготавливается проволока диаметром 0,1 - 0,3 мм длиной до 12000 м, лента толщиной до 5 микрон и трубка. Методом электрического омеднения в сернокислом электролите наносится на проволоку медное покрытие толщиной 0,02 - 0,05 мм.

Провод имеет полиэфирную легковую изоляцию толщиной 0,03 мм.

Омеднение сверхпроводящей проволоки является эффективным методом борьбы с деградацией сверхпроводящей проволоки в соленоидах. Деградация заключается в снижении токонесущей способности сверхпроводящей проволоки, намотанной в соленоид, по сравнению с токонесущей способностью короткой проволоки. Это явление обусловлено несколькими причинами. Проникновение магнитного потока при Н ≥ Нкр в некоторых частях сверхпроводника приводит к выходу этих частей из состояния сверхпроводимости. Ухудшенный теплообмен в обмотке соленоида по сравнению с коротким образцом приводит к местному разогреву проволоки до критической температуры и выходу из сверхпроводящего состояния. С увеличением длины проволоки увеличивается число участков, в которых сверхпроводящие свойства по технологическим причинам ослаблены.

Движения, колебания или деформации в отдельных нитках сверхпроводящего соленоида также приводят к ухудшению его свойств. Эта причина деградации обычно устраняется пропиткой обмотки.

Меднение сверхпроводящей проволоки улучшает ее теплопроводность и теплоотдачу от участков, перешедших в нормальное состояние, а также приводит к шунтированию малым сопротивлением витков, перешедших в нормальное состояние. Как правило, меднение проволоки приводит к увеличению ее критического тока, и почти все соленоиды с высокими параметрами выполнены из медненной проволоки.

Электрической изоляции сверхпроводящей проволоки, как правило, уделяется большое внимание, так как при потере сверхпроводимости в обмотке возникают перенапряжения порядка нескольких киловольт; поэтому слои обмотки также изолируются друг от друга (например, лавсаном 0,025 - 0,05 мм).

В настоящее время наиболее широко начинает применяться сверхпроводящая проволока, выполненная из медной или алюминиевой проволоки или ленты, внутри которой находятся нити сверхпроводника (ниобий-циркониевая

проволока и т. д.), рис. 1.1.

Площадь поперечного сечения медного проводника выбирается таким образом, чтобы при потере свойства сверхпроводимости на одном участке проводника весь ток, устремляющийся в этом случае в медную часть, выделял бы такие потери, которые легко бы отводились жидким гелием. При этом нагрев гелия не должен превышать ≈ 0,5°К. Соблюдение указанного условия тепловой стабилизации сверхпроводника позволило полностью избавиться от явления деградации, однако коэффициент заполнения сверхпроводником всего сечения проводника не превышает ≈ 0,1 для ленты и ≈ 0,3 - 0,5 для круглого проводника. В целом коэффициент заполнения сверхпроводником окна обмотки из-за необходимости иметь проточные каналы для гелия не превышает значений 0,01 - 0,05.

При создании соленоидов на значительные магнитные поля В > 5 Тл применяются специальные меры для ограничения механических усилий, действующих на проводники с током. В соответствии с законом электромагнитных сил действующая на единицу объема катушки сила равна векторному произведению плотности тока j и индукции магнитного поля В в этом объеме, рис. 1.2. Если векторы j и В параллельны друг другу, то электромагнитная сила равна 0. Устранить полностью механические усилия в катушках невозможно, однако специальной намоткой проволоки их можно значительно ослабить.

Таблица 1

Основные свойства сверхпроводников

	Название свойства	Сверхпроводники 1-го рода	Сверхпроводники 2-го рода
1.	Вид материала	Чистые металлы кроме ниобия	Ниобий, сплавы и соединения
2.	Название сверхпроводника	Идеальные, мягкие	Неидеальные, жесткие
3.	Виды состояния	Сверхпроводящее и нормальное	Сверхпроводящее, смешанное и нормальное
4.	Характер возникновения сверхпроводимости	При Н = 0 непрерывно, плавно; при Н > 0 скачком, дискретно	Плавно
5.	Распределение тока в проводнике	В тонком поверхностном слое, толщиной около 5×10-8 м	По всему сечению проводника
6.	Магнитные свойства	Идеальный диамагнетик μ = 0, Нвнутр = 0	Допускает проникновение магнитного поля в сверхпроводник
7.	Допускаемый род тока	Постоянный и переменный	Постоянный, т. к. при переменном токе появляются потери на гистерезис и вихревые токи
8.	Критическая плотность тока	Мала j ≈ 107 А/м2	Велика j ≈ 109 А/м2
9.	Критическое магнитное поле при t = 0 ºK, j = 0	Мало Вк < 0.1 Тл	Велико Вк < 50 - 70 Тл

Простейшей обмоткой с бессиловой конфигурацией является обмотка, выполненная из проводника, намотанного на цилиндр под углом 45° к его оси, рис. 1.3. Тангенциальная и осевая составляющие индукции магнитного поля в этом случае равны, а результирующая составляющая параллельна току. При многослойной обмотке каждый последующий слой поворачивается относительно предыдущего на некоторый угол.

На рис. 1.4 изображена тороидальная обмотка, в которой давление на проводники, обусловленное электромагнитными силами, существенно снижено. Снаружи тороидальной обмотки может быть расположена прочностная оболочка, воспринимающая электромагнитные усилия, которые остались нескомпенсированными винтовой намоткой. Недостаток таких систем – повышенный расход дорогого сверхпроводника.

2. Описание принципа действия и усройства детандерной установки для ожижения гелия. В настоящее время известны 3 общих метода, применяемые в технике для достижения низких температур:

-  испарение жидкости

-  использование эффекта Джоуля-Томсона

-  расширение в машине с отдачей внешней работы

Холодильные циклы используют либо один из вышеперечисленных методов, либо их комбинацию. Для получения сверхнизких температур ниже 0,5°К используется метод адиабатического размагничивания некоторых солей.

Гелиевая сжижительная установка типа Г-8, предназначенная для сжижения газообразного гелия, имеет холодильный цикл каскадного типа, основанный на использовании изоэнтропического расширения гелия в поршневом детандере и Джоуль-Томсоновского эффекта дросселирования сжатого гелия.

Для перевода гелия в жидкое состояние его необходимо охладить при атмосферном давлении до 4,22°К.

Блок-схема ожижительной установки приведена на рис. 1.5.

Газообразный гелий из газгольдеров для чистого газа поступает параллельно в два поршневых компрессора, где сжимается до необходимого рабочего давления гелиевого холодильного цикла р ≈ 22 атм. После компрессоров сжатый гелий проходит тщательную очистку от смазочного масла компрессоров в блоках маслоотделения и поступает в ожижитель. В ожижителе (см. рис. 1.6) одна часть гелия проходит гелиевую часть теплообменника, в котором охлаждается обратным потоком гелия, а остальной гелий идет в азотную секцию теплообменника, где охлаждается газообразным азотом. Далее оба потока гелия направляются в змеевики, погруженные в азотную ванну, где происходит охлаждения сжатого гелия жидким азотом.

Из азотной ванны гелий поступает во второй гелиевый теплообменник, после которого оба потока гелия соединяются в коллекторе, и часть гелия направляется в поршневой детандер, где расширяется до давления 3 атм. и охлаждается до температуры порядка 12°К.

Остальная часть прямого потока гелия охлаждается в третьем и четвертом гелиевых теплообменниках, расширяется в дроссельном вентиле и частично ожижается. Жидкий гелий накапливается в сборнике, откуда периодически сливается в сосуд Дьюара, а газообразный гелий, отдав свой холод в теплообменниках, вновь поступает на вход в компрессоры.

Подача гелия в газгольдеры ожижительной установки осуществляется либо из рампы чистого гелия через вентиль и ресивер, либо из рампы технического гелия после осушки и очистки технического гелия в блоке осушки. Осушка гелия производится силикагелем, а очистка – активированным углем при температуре жидкого азота.

На рис. 1.6 представлена схема гелиевого ожижителя. Тепловая изоляция ожижителя производится созданием в кожухе ожижителя высокого вакуума диффузионным вакуум-насосом ЦВН-100С с вакуум-насосом ВН-461М. Осуществляется также и вакуумирование внутреннего пространства ожижителя.

Ожижитель состоит из четырех теплообменников, поршневого детандера, сборника для жидкого гелия, коммуникаций, арматуры, щита с приборами и опорной рамы.

Поршневой детандер смонтирован внутри ожижителя, а механизм возвратно - поступательного движения с приводом к детандеру размещен на крышке ожижителя.

Производительность ожижительной установки Г-8 по скорости накопления жидкого гелия в сборнике составляет не менее 8 л/час. Потребляемая компрессорами мощность – 32 кВт. Время запуска ожижителя из теплого состояния до момента начала ожижения – не более 2 часов.

3. Криостаты. Криостатом называют устройство для исследования и работы оборудования при низкой температуре, в котором может поддерживаться низкая температура. Простейшим криостатом является резервуар для хранения и перевозки жидкого газа – сосуд Дьюара.

Долговременное хранение жидкого водорода и гелия является по сравнению с другими хладагентами более сложной задачей вследствие небольших скрытых теплот испарения и низких температур кипения этих жидкостей. Поэтому конструкции сосудов для жидкого водорода и гелия должны обеспечивать весьма малый общий приток тепла из окружающей среды к хранимой жидкости.

Устройство металлического сосуда Дьюара для хранения и перевозки больших количеств жидкого водорода или гелия (10 - 100 л) показано на рис. 1.7. Сосуд конструктивно состоит из четырех шаров, смонтированных один в одном. Сосуд 1 для хранения жидкости подвешен внутри корпуса 3 на тонкостенной трубке 5 и окружен азотным экраном-ванной 2. Азотный экран резко снижает подвод тепла к хранимой жидкости от излучения стенок корпуса. Для поддержания высокого вакуума к азотной ванне и сосуду с гелием прикреплены корзиночки 8 с адсорбентом – активированным углем.

Емкость для жидкости, корпус и азотная ванна изготавливаются из листовой меди, и поверхности их со стороны вакуумного пространства тщательно полируются. Емкость для жидкого гелия и азотная ванна подвешиваются на тонкостенных трубках из нержавеющей стали, обладающей малым коэффициентом теплопроводности.

Испарение жидкого гелия из таких сосудов составляет в среднем менее 1% в сутки от полезной емкости.

Форма криостатов бывает различной и определяется размерами и формой исследуемой магнитной системы со сверхпроводящими обмотками.

4. Системы питания сверхпроводящих устройств. Одной из важных проблем техники сверхнизких температур является проблема питания сверхпроводящих соленоидов электрическим током. Все известные способы питания можно разделить на две группы – кондуктивное (непосредственное) питание и индуктивное питание. Системы питания должны обеспечивать высокую плавность роста напряжения и тока, отсутствие в кривой напряжения спектра гармонических составляющих. Эти требования становятся необходимыми ввиду наличия в сверхпроводниках потерь на переменном токе и в переходных процессах. В настоящее время наиболее распространены системы питания, при которых максимальный ток достигается через 3 - 15 минут.

Чтобы избежать длительного поступления тепла через токоподводы в криостат со сверхпроводящей обмоткой и обеспечить стабильность поля, соленоид в некоторых случаях выполняют короткозамкнутым, а токоподводы съемными. Чтобы снять токоподводы, необходимо «поймать» ток, который проходил по соленоиду во время питания, задержав его в короткозамкнутой сверхпроводящей цепи, состоящей из соленоида и короткозамыкающей перемычки. Магнитное поле, образованное током в такой цепи, при хорошем качестве электрических контактов сверхпроводящего соленоида и перемычки не затухает и является идеально стабильным.

Для уменьшения теплового потока в жидкий гелий токоподводы желательно выполнять возможно меньшего сечения и, следовательно, ток, проходящий по ним, будет мал.

С другой стороны, для уменьшения индуктивности и ослабления нежелательных последствий аварийных переходных режимов целесообразно увеличение тока сверхпроводящего соленоида. Поэтому в криостате необходимо иметь сверхпроводящий трансформатор, преобразующий небольшой электрический ток, проходящий по электровводам, в ток, достаточный для мощных сверхпроводящих систем. Известны конструкции сверхпроводящих трансформаторов питания однократного (СТОД) и циклического действия (ЦСТ).

СТОД в силу присущих ему недостатков не может применяться для возбуждения тока в системах с большой индуктивностью. ЦСТ позволяет осуществить многократную подачу импульса тока в сверхпроводящий соленоид (рис. 1.8).

Принцип действия такого трансформатора заключается в следующем:

a)  При разомкнутом ключе К-1 замыкается ключ К-2. Под действием тепла, образующегося от тока в катушке К2, сделанной из манганина, участок сверхпроводящей проволоки, протянутой внутри этой катушки, выходит из состояния сверхпроводимости.

b)  В первичную обмотку трансформатора подается ток I1. Магнитный поток Φ, обусловленный током I1, практически не наводит тока I2, поскольку вторичная цепь обладает большим сопротивлением.

c)  Ключ К-2 размыкается и образуется сверхпроводящий вторичный контур, сцепленный с потоком первичной обмотки Ф.

d)  При отключении первичной цепи от источника во вторичной цепи по закону Ленца наводится вторичный ток I2, который обеспечит Ф = const:

I2 = Ф/L2,

где L2 - индуктивность (очень малая) вспомогательной цепи ловушки. В соленоиде с индуктивностью L0 ток будет мал вследствие большой величины L0.

e)  При замыкании ключа К-1 в катушке К1 выделяется тепло, ликвидирующее сверхпроводимость в перемычке ловушки. Поскольку поток Ф не может исчезнуть, в контуре с индуктивностью L0 наведется электрический ток, равный

I0 = Ф/(L2 + L0)

f)  После размыкания ключа К-1 ток I0 остается циркулировать в контуре с индуктивностью L0.

g)  После включения ключа К-2 схема готова для следующего цикла питания.

Максимальный магнитный поток, который можно получить в контуре с индуктивностью L0 при бесконечном числе циклов равен:

Фmax = I2·L0;

где I2 – ток, наводимый в контуре ловушки при выключении первичной цепи трансформатора.

На рис. 1.9 представлены кривые, отражающие скачкообразное возрастание тока во вторичной цепи за счет небольших импульсов тока в первичной цепи (кривая 1).

Кривая 2 отражает рост тока I0 при изменении полярности питающего напряжения первичной цепи. Как видно, такая операция позволяет ускорить возбуждение тока во вторичной цепи.

ЛИТЕРАТУРА

1.  А..И. Бертинов, , . Сверхпроводниковые электрические машины и магнитные системы. М.:Москва,1993; 341с.

2.  , . Теплофизические свойства материалов при низких температурах. Справочник. М.: Машиностроение, 1982; 328с.

3.  Криогенная техника. Под редакцией . Киев: Наукова дума, 1985; 184с.

4.  М. Уилсон. Сверхпроводящие машины. М.: Мир, 1985; 405с.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.  Расскажите об основных свойствах сверхпроводников первого и второго рода.

2.  Как устраняется явление деградации сверхпроводников в соленоидах?

3.  За счет чего ослабляются механические усилия в сверхпроводящих катушказ с бессиловой конфигурацией?

4.  Каков принцип действия гелиевой ожижительной установки?

5.  Как обеспечивается поддержание сверхнизких температур для сверхпроводящих обмоток?

6.  Как осуществляется наведение тока в сверхпроводящем соленоиде?

7.  Проиллюстрируйте графически характер распределения осевой составляющей индукции магнитного поля вдоль по радиусу (от R = 0 до r ® ¥), проходящему в плоскости тороидальной сверхпроводящей обмотки.

Рис. 1.1. Поперечное сечение сверхпроводника

Рис. 1.2. Электромагнитные силы в катушке

Рис. 1.3. Обмотка с бессиловой конфигурацией

Рис. 1.4. Тороидальная обмотка с бессиловой конфигурацией

Рис. 1.5. Блок-схема детандерной установки для ожижения гелия

Рис. 1.6. Схема гелиевого ожижителя

Рис. 1.7. Сосуд с азотным охлаждением

1 - шар для гелия; 2 - азотная ванна; 3 - наружный корпус; 4 - труба подвески вынны; 5 - труба подвески шара; 6 - сильфон; 7 - крышки; 8 - абсорбент; 9 - штуцер для откачки

Рис. 1.8. Схема соединений циклического сверхпроводящего трансформатора

Рис. 1.9. Возрастание тока в сверхпроводящем соленоиде при запитке от ЦСТ.