МАГНИТ СВЕРХПРОВОДИЩИЙ, соленоид или электромагнит с обмоткой из сверхпроводящего материала. Обмотка в состоянии сверхпроводимости обладает нулевым омич. сопротивлением. Если такая обмотка замкнута накоротко, то наведённый в ней электрич. 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 науч. исследованиях и технике.
Обмотка М. с. теряет свойство сверхпроводимости при повышении темп-ры выше критической температуры Тк сверхпроводника, при достижении в обмотке критического тока Iк или критического магнитного поля Нк. Учитывая это, для обмоток М. с. применяют материалы с высокими значениями Тк, lК и Нк (см. табл.).
Для стабилизации тока в обмотке М. с. (предотвращения потери сверхпроводимости отдельными её участками) сверх-проводящие 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 неск. 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 интерметаллич. соединений Nb3Sn и V3Gа 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.
Рис. 1. Схематическое изображение многожильного сверхпроводящего провода: а - комбинированный скрученный проводник (1 - сверхпроводящие нити, 2- матрица); 6 - поперечное сечение многожильного комбинированного проводника с 61 нитью (слева) и 1045 нитями (справа) в медной матрице.
Свойствасверхпроводящих материалов, применяемых для обмоток сверхпроводящих магнитов
Материал
Нк
при 4,2 К,
КЗ
Критическая темп-ра
тк, к
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
Соединение ниобий - олово (NbзSn) ...........
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
1 э= 79,6 а/м
Сравнительно небольшие М. с. (с энергией магнитного поля до неск. 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.
Рис. 2. Основные элементы конструкции сверхпроводящего магнита: 1 - контакт для присоединения к внешним цепям; 2 - многожильный сверх-проводящий 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.
Электромагнитное взаимодействие витков соленоида создаёт механич. напряжения в обмотке, к-рые в случае длинного соленоида с полем ~ 100 кгс эквивалентны внутр. давлению ~ 400 am (3,9*107 н/м2). Обычно для придания М. с. необходимой механич. прочности применяют спец. бандажи (рис. 2). В принципе, механич. напряжения могут быть значительно снижены такой укладкой витков обмотки, при к-рой линии тока совпадают с силовыми линиями магнитного поля всей системы в целом (т. н. ч бессиловая" конфигурация обмотки).
При создании в обмотке М. с. электрич. тока требуемой величины сначала включают нагреватель, расположенный на замыкающем обмотку сверхпроводящем проводе. Нагреватель повышает темп-ру 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 (темп-pa кипящего гелия 4,2 К ниже Тксверхпроводящих 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. табл.).
Современные сверхпроводящие материалы позволяют получать поля до 150-200 кгс. Стоимость крупных М. с. с напряжённостью поля порядка десятков кгс в объёме неск. м3 практически не отличается от затрат на сооружение водоохлаждаемых соленоидов с такими же параметрами, в то время как суммарные затраты электрич. энергии на питание М. с, и его охлаждение приблизительно в 500 раз меньше, чем для обычных электромагнитов. Для обеспечения работы такого М. с. требуется ок. 100-150 квт, тогда как для эксплуатации аналогичного водоохлаждаемого магнита потребовалась бы мощность ~40- 60 Мвт.
Рис. 3. Установка Института атомной энергии им. И. В. Курчатова, в к-рой испытываются секции сверхпроводящих магнитных систем диаметром около 1 м. В средней части фотографии видна закреплённая на крышке криостата испытываемая секция (С), внизу - цилиндрический криостат (К).
Значительное число созданных М. с. используется для исследования магнитных, электрич. и оптич. 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.
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; б - разрядное сопротивление; 7 - реле защиты; 8 - управляющее устройство.
Лит.: Р о у з - И н с А., Родерик Е., Введение в физику сверхпроводимости, пер. с англ., М., 1972; Зенкевич В. Б., Сычев В. В., Магнитные системы на сверхпроводниках, М., 1972; К р е м л ё в М. Г., Сверхпроводящие магниты, "Успехи физических наук", 1967, т. 93, в. 4. Б. Н. Самойлов.
Смотреть больше слов в «Большой советской энциклопедии»