Криомагнитные системы на основе ВТСП и криорефрижераторов замкнутого цикла для физических исследований

Основной целью работы было проведение исследований, результатом которых стала разработка изготовление и испытание устройств на основе высокотемпературных сверхпроводников второго поколения и криогенных рефрижераторов замкнутого цикла.

В первой главе приведен краткий литературный обзор.

В первой части рассмотрены различные ВТСП материалы для создания CMC. Показано, что наиболее предпочтительными оказываются ВТСП 2-го поколения. Наилучшие представители ВТСП 1-го поколения значительно уступают по критическим механическим напряжениям. Круглые провода Bi2212 требуют термической обработки, чувствительной к температуре отжига и материалу изоляции.

Критический ток ВТСП ленты зависит от угла между направлением магнитного поля и поверхностью ленты, что должно быть учтено при расчете CMC.

Во второй части рассмотрена проблема оптимизации теплопритоков в CMC путем использования ВТСП токовводов. В большинстве криомагнитных систем с токовводами связан основной теплоприток к жидкому гелию. Так при теплопритоке равному 1 Вт за 1 час испаряется 1,5 литра дорогостоящего жидкого гелия. Особенно проблема актуальна для крупных CMC. Например, в большом адронного коллайдера (БАК) используется 8000 сверхпроводящих магнитов с рабочим током 600 -13 000 А. Известно [1], что теоретический минимальный теплоприток к нижнему терминалу несверхпроводящего токоввода в интервале температур 4,2−300 К (для пары токовводов) составляет 2,04 Вт/кА при охлаждении парами испарившегося гелия и 94 Вт/кА без охлаждения. Применение ВТСП при создании токовводов позволяет в несколько раз снизить теплоприток к жидкому гелию.

Наиболее значителен эффект использования ВТСП в токовводах для сверхпроводящих магнитных системах на основе криорефрижераторов, где сверхпроводящий магнит и токовводы находятся в вакууме и верхняя часть ВТСП токовводов охлаждается за счет 1й ступени криорефрижератора до температуры 40−60 К. ВТСП токовводы в данном случае позволяют более чем в 20 раз снизить теплоприток к сверхпроводящему соленоиду. Именно появление ВТСП токовводов способствовало быстрому развитию сверхпроводящих магнитных систем на основе криорефрижератров замкнутого цикла.

В третьей части рассмотрены различные CMC на основе ВТСП. Несмотря на то, что критическая температура ВТСП выше температуры кипения жидкого азота, при 77 К токонесущая способность ВТСП недостаточна для создания CMC с индукцией магнитного поля выше 2 Тл. Однако при температуре кипения жидкого гелия ВТСП материалы имеют ряд преимуществ по сравнению с низкотемпературными сверхпроводниками (НТСП) на основе NbTi и Nb3Sn. Рекордное магнитное поле полученное с помощью НТСП соленоида составляет 22 Тл при 4.2 К. К настоящему времени ВТСП испытаны в магнитных полях с индукцией до 45 Тл, генерируемых с помощью несверхпроводящих магнитов. При этом токонесущая способность ВТСП при 4.2 К достаточна для создания CMC. Кроме того, критические механические напряжения для ВТСП 2-го поколения значительно выше, чем для низкотемпературных сверхпроводников. Учитывая высокую стоимость ВТСП, во всех работах ВТСП соленоиды используются в качестве внутренней секции несверхпроводящего магнита или соленоида на основе НТСП для повышения индукции магнитного поля.

В четвертой части описан принцип работы криогенного рефрижератора на цикле «Пульсационная труба» .

В пятой части дан обзор CMC на основе криорефрижераторов замкнутого цикла, которые в последние несколько лет получили широкое распространение в исследовательских лабораториях благодаря надежности и простоте в эксплуатации. Отсутствие необходимости использования жидкого гелия и азота является их основным преимуществом. Для охлаждения сверхпроводящих магнитов до 4 К применяются коммерчески доступные криогенные рефрижераторы, работающие на циклах сжатия-расширения газообразного гелия Гиффорда — Макмагона или его модификации — «пульсационной трубки» (ПТ) с холодопроизводительностью 1 — 1.5 Вт при 4.2 К [3]. В большинстве CMC на основе криорефрижераторов магнитное поле создается в отверстии, имеющем комнатную температуру. Для исследований при пониженных температурах в это пространство должен быть помещен криостат-вставка на основе второго, менее мощного, чем для охлаждения магнита криорефрижератора, что приводит к удорожанию и увеличению габаритов экспериментальных установок. В связи с этим, актуальным является вопрос создания методов одновременного обеспечения температурного режима сверхпроводящего соленоида и исследуемого образца с помощью одного рефрижератора.

В шестой части рассмотрены криогенные тепловые ключи. Наиболее перспективными для применения в диапазоне 6 — 300 К являются тепловые ключи с зазором, заполняемым теплообменным газом. Преимуществом данных тепловых ключей является отсутствие подвижных частей, возможность работы в магнитном поле и простота конструкции. Тепловой ключ состоит из двух коаксиальных медных цилиндров, заключенных в кожух из нержавеющей стали. Теплопроводность ключа изменяется при заполнении или вакуумировании пространства между медными цилиндрам теплообменным газом (гелий, водород, неон). Хотя данный тип тепловых ключей предложен еще в 1973 г [34], данных о его применении в криомагнитных системах для одновременного обеспечения температурного режима исследуемого образца и сверхпроводящего соленоида нет.

Во второй главе диссертации приведены экспериментальные результаты по исследованию различных методик создания электрических контактов между ВТСП проводником второго поколения и металлом. Несмотря на то, что первые ВТСП были синтезированы более 20 лет назад, длинномерные образцы ВТСП лент с улучшенными характеристиками (ВТСП 2-го поколения), наиболее подходящие для применения в магнитных системах, стали доступны с 2006 года и к настоящему времени не достаточно хорошо изучены. К моменту начала исследований производители ВТСП не давали рекомендаций по технологии пайки ВТСП 2го поколения без дополнительного стабилизирующего слоя, а паспортизация ВТСП проводилась бесконтактным методом с помощью Холловской магнитометрии. Также приведены результаты исследования долговременной стабильности ВТСП 2-го поколения. Необходимость исследований была обусловлена наличием литературных данных о деградации критического тока в тонких пленках ВТСП при длительном пропускании тока [78].

В третьей главе отражены вопросы разработки и создания токовводов. Впервые ВТСП 2-го поколения применены в токовводах, охлаждаемых потоком газообразного гелия без дополнительного охлаждения жидким азотом. Исследованы две пары токовводов, изготовленных из ВТСП 2го поколения с различными стабилизирующими слоями. Приведена методика расчета основных параметров токовводов и результаты испытаний при различном рабочем токе, в том числе выше расчетного. Величина теплопритока к жидкому гелию для представленных токовводов находятся на уровне лучших мировых образцов, изготовленных на основе ВТСП 1-го поколения. Токовводы позволяют повысить рабочие параметры сверхпроводящих ускорителей, МРТ томографов, криомагнитных систем для физических исследований.

В четвертой главе приведена методика расчета и экспериментальные результаты исследования соленоида, изготовленного из ВТСП проводника 2го поколения. Предложен метод расчета критических параметров ВТСП соленоида. Сложность расчета состоит в том, что критический ток ВТСП ленты зависит от угла между поверхностью ленты и вектором магнитного поля, причем характер зависимости критического тока от угла зависит от индукции магнитного поля. Большинство ВТСП соленоидов изготавливается по галетной технологии (pancake). В разработанном соленоиде [2] применена технология непрерывной намотки ВТСП соленоида, которая позволяет значительно упростить процесс намотки. Соленоид намотан из одного куска провода, что избавляет от необходимости создания низкоомных контактов между галетами, что само по себе является довольно сложным процессом. Вторым несомненным преимуществом данной технологии является компактность соленоида, что является ключевым параметром при использовании его в качестве внутренней вставки в сверхпроводящий соленоид на основе сплавов NbTi и Nb3Sn. К недостаткам технологии необходимо отнести невозможность внести изменения в уже изготовленный соленоид, что возможно в галетной технологии, где соленоид может быть разобран на отдельные галеты, секция с наихудшими параметрами изготовлена заново или перемещена в область низкого магнитного поля.

В пятой главе описана сверхпроводящая магнитная система с использованием криорефрижератора замкнутого цикла. Отличительной особенностью системы является использование одного криорефрижератора для охлаждения сверхпроводящего магнита с рабочим магнитным полем 8 Тл и вставки с переменной температурой. Впервые криогенный тепловой ключ с щелевым зазором, заполняемым теплообменным газом применен сверхпроводящей магнитной системе на основе криорефрижератора замкнутого цикла для обеспечения переменной температуры вставки с исследуемым образцом.

В выводах диссертации кратко изложены результаты проделанной работы.

Научная новизна: ВТСП 2-го поколения впервые успешно применены для улучшения параметров токовводов. Предварительно было проведено исследование различных методик создания электрических контактов между ВТСП второго поколения и металлом. Определены условия стабильности контактов. Экспериментально подтверждена стабильность критических свойств ВСТП 2-го поколения при длительной работе под токовой нагрузкой при температуре 77 К.

Предложен метод расчета критических параметров ВТСП соленоида. Сложность расчета состоит в том, что критический ток ВТСП ленты зависит от угла между поверхностью ленты и вектором магнитного поля, причем характер зависимости критического тока от угла зависит от индукции магнитного поля.

Впервые метод слоевой намотки применен для создания ВТСП соленоида малого диаметра, что позволило увеличить плотность тока в соленоиде, тем самым повысить его рабочие характеристики.

Предложен и экспериментально исследован метод обеспечения температурного режима исследуемого образца и сверхпроводящего соленоида при помощи криогенного теплового ключа.

Положения, выносимые на защиту:

1. Токовводы на основе ВТСП 2-го поколения для криомагнитных систем, охлаждаемые потоком газообразного гелия без дополнительного охлаждения жидким азотом. Величины теплопритоков к жидкому гелию для представленных токовводов находятся на уровне лучших мировых образцов, изготовленных на основе ВТСП 1-го поколения для большого адронного коллайдера.

2. Экспериментальные результаты исследования различных методик создания электрических контактов между ВТСП проводником второго поколения и металлом. Определены условия стабильности контактов. Найдено, что толщина серебряного стабилизирующего слоя должна составлять не менее 1 мкм.

3. Результаты исследования долговременной стабильности ВТСП проводников второго поколения. Экспериментально подтверждена стабильность критических свойств ВСТП проводников после пропускания постоянного тока составляющего 70% от критического в течение 300 часов при 77 К.

4. Соленоид из ВТСП провода 2-го поколения. Применение метода слоевой намотки соленоида, вместо широко используемой галетной технологии, позволило значительно повысить плотность тока в обмотке, тем самым снизить расход проводника. Свойства ВТСП проводников 2-го поколения (значительные критические механические напряжения и высокая критическая плотность тока) позволяют использовать их для генерации магнитных полей с индукцией не менее 32 Тл при 4.2 К, что выше предельного значения для низкотемпературных сверхпроводников, составляющего 22 Тл для М^п.

5. Предложен и реализован в среде МаШсас! метод расчета критического тока ВТСП соленоида для магнитных полей с индукцией до 15 Тл.

6. Предложен и экспериментально исследован метод измерения физических величин в магнитном поле и широком интервале температур в криомагнитной системе на основе криорефрижератора замкнутого цикла, особенностью которой является применение криогенного теплового ключа. Криогенный теплового ключ позволил существенно упростить конструкцию системы и отказаться от использования дополнительного криорефрижератора для обеспечения температурного режима исследуемого образца.

Выводы.

1. Впервые ВТСП второго поколения применены в токовводах для криомагнитных систем, охлаждаемых потоком газообразного гелия без дополнительного охлаждения жидким азотом. Величины теплопритоков к жидкому гелию для представленных токовводов находятся на уровне лучших мировых образцов, изготовленных на основе ВТСП 1-го поколения для большого адронного коллайдера.

2. Проведено исследование различных методик создания электрических контактов между ВТСП 2-го поколения и металлом. Определены условия стабильности контактов. Найдено, что толщина серебряного стабилизирующего слоя должна составлять не менее 1 мкм.

3. Проведено исследование долговременной стабильности ВТСП 2-го поколения. Экспериментально подтверждена стабильность критических свойств ВСТП проводников после пропускания постоянного тока, составляющего 70% от критического, в течение 300 часов при 77 К.

4. Предложен и реализован в среде МаШсас! метод расчета критического тока ВТСП соленоида для магнитных полей с индукцией до 15 Тл.

5. Разработан и изготовлен соленоид из ВТСП провода 2-го поколения. Применение метода солевой намотки соленоида вместо широко используемой галетной технологии позволило значительно повысить плотность тока в обмотке, тем самым снизив расход проводника. Свойства ВТСП проводников 2го поколения (критические механические напряжения и критическая плотность тока) позволяют использовать их для генерации магнитных полей с индукцией не менее 32 Тл при 4.2 К, что выше предельного значения для низкотемпературных сверхпроводников, составляющего 22 Тл.

6. Впервые предложен и экспериментально исследован метод обеспечения температурного режима исследуемого образца в сверхпроводящей магнитной системе на основе криорефрижератора замкнутого цикла при помощи криогенного теплового ключа.

Применение криогенного теплового ключа позволило существенно упростить конструкцию системы и отказаться от использования дополнительного криорефрижератора для обеспечения температурного режима исследуемого образца.

Изготовленная компактная криомагнитная система обеспечивает температуру вставки с образцом в диапазоне 5.4 — 300 К при индукции магнитного поля 7.1 — 8.3 Т.

И в заключение, автор выражает благодарность Е. И. Демихову за руководство работой, инициативу, В. Ф. Троицкому за помощь и постоянное внимание к работе, Н. А. Пискунову и В. В. Лысенко за помощь в изготовлении криомагнитной системы на основе криорефрижератора замкнутого цикла. Л. Н. Жерихиной и А. М. Цховребову за помощь при испытании ВТСП соленоида во внешнем магнитном поле.