Повышение стабильности сверхпроводниковых магнитов с помощью высокотеплоемких добавок — моделирование, разработка и применение методов анализа экспериментальных данных

В настоящее время сверхпроводящие магниты (СМ) широко применяются в медицине, промышленности и, особенно, научном приборостроении. Для пользователей важнейшей характеристикой магнитной системы является ее надежность. Разработчикам магнитных систем хорошо знакомо явление деградации, при котором токи перехода СМ в нормальное состояние оказываются ниже (нередко значительно ниже) критических токов, измеренных на коротких образцах того же сверхпроводника. Причина этого нежелательного эффекта состоит в разогреве обмотки СМ под действием возмущений различного происхождения, проявление которых усиливается с ростом размеров магнита. Деградации обычно сопутствует явление тренировки, которое состоит в постепенном повышении токов, достигаемых СМ, после нескольких переходов магнита в нормальное состояние из-за механического упрочнения обмотки-[1].

В 1978 г. Wipf [2] первым ввел понятие «энергетического спектра возмущений», возникающих в обмотке СМ. На рис. 1 приведен подобный спектр, предложенный профессором Ивасой из Массачусетского^ Технологического Университета (США) на конференции по прикладной сверхпроводимости 2005 г., связывающий между собой длительность и характерную энергию тепловыделений в СМ [3]. Возмущения характеризуются степенью их локализации в пространстве и длительностью. Продолжительные точечные возмущения могут быть вызваны, например, плохим электрическим контактом в месте соединения проводов, продолжительные объемныеэлектрическими потерями в переменных режимах, избыточным теплопритоком при неполадках системы криогенного обеспечения магнита, появлением небольшого сопротивления в обмотке по мере приближения плотности тока к критическому значению и т. д. Длительные возмущения обычно являются регулярными и воспроизводимыми и могут вызывать значительную деградацию. температуре (рис.2). Например: усредненная теплоемкость, многожильного N1)11 провода в медной матрице при 4,2 К составляет ~ 1,5 мДж/см, а типичный характерный запас по температуре ~ 1 К. Если сопоставить эти цифры, с характерными плотностями энергии возмущений в СМ, станет ясна опасность преждевременных переходов в нормальное состояние, и, как следствие, необходимость дополнительной стабилизации магнита.

Метод стационарнойстабилизации с заключением сверхпроводника в нормальный металл с высокой теплопроводностью и одновременным улучшением условий охлаждения жидким* гелием, предложенный Стекли в 1965 г, позволяет успешно бороться с деградацией критического тока. Под действием не слишком большого теплового возмущения ток перетекает из сверхпроводника в стабилизирующую матрицу (выделяющееся тепло отводится хладагентом), и если теплоотдача с поверхности стабилизатора в гелий превышает мощность тепловыделения, температура. провода снижается, и ток возвращается в сверхпроводник. Однако зачастую при кратковременных возмущениях критерий стационарной стабилизации может нарушаться, и возмущение может быть настолько сильным, что сверхпроводник необратимо ¦ переходит в нормальное состояние. Более того, нередко первый переход магнита, может оказаться последним — при неконтролируемых переходах возможны электрические пробои между витками и, даже, выгорания частей обмотки.

Диссертация посвящена исследованию альтернативных методов повышениястабильности СМ, основанных на введении в конструкцию магнитов материалов с аномально высокой теплоемкостью при гелиевых температурах.

Известно, что некоторые интерметаллические соединения и керамики имеют необычные физические свойства при низких температурах. На рис. 2 показаны температурные зависимости теплоемкостей некоторых из них, а также обычных конструкционных материалов, применяемых при изготовлении СМ [4−10]. 5 6 7 8 9.

Выражение (1) определяет температурную зависимость теплоемкости твердого тела при температурах ниже Дебаевской (первый и второй члены представляют собой электронный и решеточный вклады в теплоемкость соответственно):

Причины возникновения аномально высоких значений теплоемкости различны, причем у одних веществ может преобладать как единственный механизм, так и их комбинации. Например, интерметаллид СеСи6 является представителем, так называемых веществ с тяжелыми фермионами, которые с точки зрения классической физики металлов являются аномальными системами, поскольку электронные^{оболочки} их ионов имеют нескомпенсированные магнитные моменты. Обычные металлы такого момента не имеют, поскольку все их электронные оболочки либо полностью заполнены, либо пусты, и суммарный магнитный момент иона равен 0. Увеличение электронного вклада в теплоемкость при снижении температуры происходит в результате одного из двух основных типов взаимодействия^{электронов} недостроенной оболочки с окружением. Первая причина заключается в снятии.

С{Т) = уг + рт з.

1) вырождения состояния 4f электронов в кристаллическом электрическом поле, потенциал которого формируется при участии ионов ближайшего окружения и электронов проводимости, что обеспечивает дополнительный вклад в теплоемкость. Вторая — в рассеянии свободных электронов проводимости на локализованных электронах^{оболочек} с переворотом спина, в результате чего эффективная масса свободных электронов возрастает на несколько порядков. В свою очередь гигантский рост эффективной массы приводит к резкому увеличению электронной теплоемкости всей системы (параметр у в (1)).

Высокая удельная теплоемкость других соединений, например НоСш, всЬСЬЗ объясняется существованием антиферромагнитного фазового перехода II рода в магнитной подсистеме электронов атомов металла. При достаточно низкой температуре, ниже некой характернойГ0 ~ 1 — 100 К, вместо антиферромагнитного упорядочения' происходит частичное или полное подавление локального магнитного момента8 £-оболочки, причем его величина полностью восстанавливается при высоких температурах и, далее магнитная восприимчивость при Т"Т0 следует закону Кюри (намагниченность парамагнетика в постоянном магнитном поле обратно пропорциональна абсолютной температуре: М = спВ/Т, с0 — постоянная, Кюри для данного материала). Существенное отличие этих систем от обычных металлов в том, что при низких температурах Т< Т0, возникает парамагнитное состояние, часто с очень высокими значениями величины магнитной, восприимчивости, а также линейного по температуре коэффициента в теплоемкости (уТ), что свидетельствует о формировании высокой плотности электронных состояний вблизи поверхности Ферми при Т< Т0 [11]. В соединении РгВб работают два механизма увеличения теплоемкости: эффекты кристаллического поля и подавление магнитного момента. При температурах выше 10 К различие в теплоемкостях нормальных металлов и упомянутых соединений исчезает, благодаря вкладу растущей фононной составляющей теплоемкости материалов обмотки (член ртъ в (1)).

А-рпоп ясно, что использование даже небольших количеств таких веществ в качестве высокотеплоемких добавок (ВД) к сверхпроводникам позволит поднять критические энергии СМ на порядок, что даст возможность диссипации тепловых импульсов без переходов сверхпроводника в нормальное состояние.

Более того, введение ВД в состав обмотки может оказаться полезным в борьбе с еще одним видом возмущений — скачками магнитного потока. При выделении небольшого импульса тепла в обмотке магнита происходит локальный рост температуры, и критический ток сверхпроводника в затронутой возмущением области уменьшается. Если транспортный ток превышает новое значение 1с, часть сверхпроводника переходит в нормальное состояние и избыточный ток затухает на нормальном участке, а фронт магнитного поля перемещается на небольшое расстояние внутрь провода. В процессе движения магнитного потока в сверхпроводнике выделяется дополнительное количество тепла, в результате чего увеличивается температура, уменьшается критическая плотность тока и т. д. При определенных условиях рост температуры и движение магнитного потока могут принять лавинообразный характерпроисходит скачок потока. Если сверхпроводящую проволоку сделать, достаточно тонкой 100 мкм), то скачки потока в ней не происходят даже в адиабатических условиях. Однако композитный сверхпроводник содержит большое число электрически связанных сверхпроводящих волокон. Под действием внешнего магнитного поля, а также собственного поля, создаваемого транспортным током, в композите возникают кооперативные токи. Подобная электрическая связь увеличивает вероятность коллективного скачка потока, захватывающего большое число волокон, и тем самым утрачивается основное преимущество разбиения сверхпроводника на тонкие волокна. Электрическую связь между волокнами в поперечном внешнем поле удается скомпенсировать за счет скручивания волокон, но при этом остается главная причина скачков потока — электрическая связь между волокнами, обусловленная собственным магнитным полем. Бороться с этим можно либо создав условия для отвода выделяющегося тепла (динамическая стабилизация) — либо ограничив движение магнитного потока, связанное со снижением критической плотности тока (адиабатическая стабилизация) — в частности подняв удельную теплоемкость сверхпроводника.

Основные задачи:

С 2003 г. в Курчатовском институте совместно с ВНИИНМ им. академика A.A. Бочвара проводятся исследования, направленные на разработку различных методов внесения ВД в состав низкотемпературных СМ. Пройден путь от т.н. внешнего легирования (при котором порошки ВД вносятся в межвитковое пространство плотных обмоток в виде мелкодисперсных наполнителей эпоксидной смолы [17]), к «промежуточному» (медные провода с 1 или несколькими ВД жилами вводятся в состав токонесущих элементов совместно со стандартными композитными сверхпроводниками [33]) и внутреннему легированию (ВД жилы вводятся непосредственно в состав композитного сверхпроводника [41]). Эффект от введения ВД проверялся в многочисленных сериях экспериментов по определению: образцы с ВД (проводники, токонесущие элементы, модельные обмотки) и идентичные им контрольные образцы без добавок подвергались воздействию электромагнитных возмущений различной продолжительности и интенсивности, создаваемых разрядом конденсатора на возмущающие медные катушки. Минимальная энергия конденсаторной батареи, достаточная для перевода образца в нормальное состояние (критическая энергия возмущения) экспериментально подбиралась методом «проб и ошибок» для различных значений транспортного тока в образцах с добавками и без них.

Прямое сопоставление критических значений энергии конденсатора не дает информации о степени использования добавленной теплоемкости при возмущениях различной продолжительности, и также не позволяет сравнивать эффективность различных методов внесения добавок ни между собой, ни с другими способами повышения стабильности СМ (например, с непосредственным охлаждением сверхпроводника жидким гелием). Основной задачей диссертации является разработка численно-аналитических методов пересчета экспериментальных критических энергий возмущений в тепловыделения непосредственно в образцах, сводящаяся к расчету электрических потерь в композитных сверхпроводниках, токонесущих элементах и модельных соленоидах. Последующее сравнение с теоретически вычисленным приращением энтальпии образца позволяло судить о степени использования добавленной теплоемкости в условиях каждого конкретного эксперимента.

Цель работы:

— Разработка численно-аналитических методов определения критических энергий низкотемпературных сверхпроводящих обмоток и коротких образцов сверхпроводников (с ВД и без них), подвергающихся воздействию переменных магнитных полей различной конфигурации и ориентации по отношению к образцам.

— Применение разработанных методик, для пересчета измеренных экспериментально критических значений энергии возмущений в непосредственные тепловыделения в образцах, для последующего сравнения с их максимально теплопоглощающей способностью и составления выводов о степени использования добавленной теплоемкости.

— Анализ и сопоставление эффективности различных методов внесения ВД в состав низкотемпературных сверхпроводниковых магнитов по отношению к смоделированным возмущениям, продолжительность и интенсивность которых соответствует реальным механическим и электромагнитным процессам, происходящим в обмотках СМ.

Научная новизна: Несмотря на свою очевидность, метод энтальпийной стабилизации никем не был исследован в полной мере. Некоторые научные группы высказывали предположения о возможности использования высокотеплоемких соединений в качестве стабилизаторов СМ. Однако авторы либо ограничивались только предположениями, [12−14], либо сталкивались с экспериментальной проблемой неполного использования добавленной теплоемкости (по причине недостаточной скорости температурной диффузии от сверхпроводника к добавке), и, как следствие — непригодностью метода для демпфирования кратковременных тепловых возмущений [8,16]. Так или иначе, все попытки исследования влияния ВД на стабильность СМ оставались незавершенными и не имели выходов к практическому внедрению:

Проведенные исследования, основные этапы которых изложены в. диссертации, направлены на поиск оптимальных методов внесения ВД в состав СМ. В настоящее время ведутся работы, направленные на получение опытно-промышленных партий ]ЧЬТ1 и 1ЧЬз8п сверхпроводников с внутренним легированием ВД. Подобные всесторонние (экспериментальные и расчетные) разработки ни в России, ни за рубежом на сегодняшний день не проводятся.

Достоверность полученныхрезультатов: Опыты по определению стабильности носили сравнительный характер — всегда присутствовал контрольный образец (проводник, обмотка), идентичный легированному, но не содержащий ВД. Удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных для контрольного образца свидетельствовало о верном выборе расчетной методики и сводило ошибку в расчетах к экспериментальной^погрешности.

Практическая ценность: Разработанные численно-аналитические методы определения стабильности модельных СМ и коротких образцов сверхпроводящих композитных проводов на основе N1)11 и №>з8п с внутренним и «промежуточным» легированием ВД позволили существенно углубить степень понимания полученных результатов.

Непосредственное сравнение экспериментальных критических энергий возмущений давало возможность лишь констатировать. во сколько раз возросла стабильность того или иного образца за счет введения добавки в условиях только этого конкретного эксперимента. Более того, в некоторых экспериментах прямое сравнение критических энергий Я-Ь-С контура было просто невозможным из-за того, что изготовленные образцы различались не только наличием либо отсутствием добавки^ но и другими физическими свойствами (например, комбинированные N1)14 сверхпроводники с «промежуточным» легированием содержали различное количество меди различной чистоты). Данные о непосредственных тепловыделениях в образцах с ВД и без них, полученные с помощью разработанных компьютерных кодов, уже позволяли:

— судить о степени использования добавленной теплоемкости при возмущениях различной продолжительности и интенсивности;

— непосредственно сравнивать эффективность различных методов внесения ВД в состав магнитов — как друг с другом, так и с другими методами повышения стабильности СМ, например за счет непосредственного контакта сверхпроводника с хладагентом;

— давать рекомендации к дальнейшему совершенствованию технологии внесения добавок.

Результаты исследований могут иметь широкое практическое применение: увеличение критических энергий СМ (как при внешнем, так и при внутреннем легировании ВД) позволит повысить рабочую плотность тока в обмотке СМ без снижения надежности его работы. Повышенная термомагнитная устойчивость проводов с внутренним легированием может решить проблему коллективных скачков магнитного потока в проводниках с высокими критическими токами (пример — многочисленные публикации о недостаточной термомагнитной устойчивости №>38п сверхпроводников, разрабатываемых для модернизации поворотных и фокусирующих магнитов Большого адронного коллайдерапрограмма «ЬАЯР» [46−50]). Как показывают оценки, повышение стабильности СМ компенсирует стоимость добавок и незначительное усложнение процесса изготовления теплостабилизированных проводников и обмоток.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Численно-аналитическая методика расчета тепловыделений в модельных СМ, намотанных из стандартных КГЬТл сверхпроводников с внешним легированием 5 об.% ВД 0с12 028 и без него, подвергающихся импульсному воздействию переменного магнитного поля различной длительности и интенсивности, и результаты, полученные с ее помощью из экспериментальных данных.

2. Результаты исследования влияния метода внешнего легирования несколькими об.% ВД (СеСи6, НоСи2, 0с12 028) на устойчивость сверхпроводящего состояния в 1ИУП обмотках из стандартных композитных сверхпроводников и кабелей резерфордовского типа по отношению к максимально допустимым скоростям изменения собственного магнитного поля, полученные с помощью моделирования тепловых и электрических процессов и последующего сравнения с экспериментальными данными.

3. Численно-аналитическая методика расчета тепловыделений в коротких образцах комбинированных МэТ1 и Мз38п сверхпроводников с «промежуточным» и внутренним легированием различными ВД (СеСиб, НоСи2, РгВ6, СеАЬ, 0с12 028), вызванных импульсным воздействием продольных электромагнитных возмущений (по длительности и энергиям соответствующих механотермическим) и результаты, полученные с ее помощью из экспериментальных данных.

4. Результаты исследования термомагнитной стабильности МэТл и МэзЭп сверхпроводников с внутренним легированием 5 — 7 об. % ВД Сс12 028 и РгВ6 (близких по конструкции к проводам для обмоток Международного термоядерного реактора ИТЭР).

5. Результаты сравнительного исследования стабильности модельных магнитов из №>Т1 композитных проводов томографического типа с внутренним легированием 2 об % ВД Ос12Оз и без добавок.

6. Анализ эффективности различных методов внесения ВД в состав магнитов между собой и с непосредственным охлаждением сверхпроводника жидким гелием. Эквивалентность использования ВД увеличению критического температурного запаса СМ.

Апробация работы: Основные результаты работы были представлены на: конференциях США по прикладной сверхпроводимости (IEEE Transactions on Applied Superconductivity) 2005, 2006 гг.- конференции ИСФТТ РНЦ «КИ» по физике конденсированных сред и сверхпроводимости 2006; семинарах НИЦ «Курчатовский институт» по прикладной сверхпроводимости в 2007;2011 гг- 4-й всероссийской конференции по наноматериалам 2011 г.

Публикации: Результаты исследований, изложенных в диссертации, опубликованы в 13 работах (10 из которых — в изданиях, рекомендуемых ВАК).

Структура и объём диссертации: Диссертация состоит из введения, литературного обзора, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертации составляет 133 страницы, включая 58 рисунков, 19 таблиц и списка литературы из 57 наименований.

ВЫВОДЫ.

1. Разработан метод анализа устойчивости модельных сверхпроводниковых магнитов (СМ) из промышленно выпускаемых ЫМл сверхпроводников с внешним легированием 5 об.% высокотеплоемкой добавки (ВД) 0с12 028 к воздействию электромагнитных импульсов различной продолжительности и интенсивности, позволяющий на основании экспериментальных данных определять степень использования теплоемкости обмотки в условиях каждого возмущающего режима. Прямые экспериментальные данные не давали информации о степени использования теплоемкости ВД, а также не позволяли сравнивать различные способы внесения добавок ни между собой, ни с другими методами повышения стабильности СМ.

2. С помощью разработанного программного кода определена характерная продолжительность возмущений, начиная с которой эффективность технологии внешнего легирования СМ ВД достигает 100%. Метод расчета основан на сопоставлении теоретической теплопоглощающей способности соленоида с электрическими потерями непосредственно в обмотке СМ. Электрические потери вычислялись по известным из эксперимента минимальным значениям энергии возмущающего Я-Ь-С контура, достаточной для перехода магнита в нормальное состояние.' Пороговое значение продолжительности возмущения т оказалось равно 20 мс. При более продолжительных возмущениях теплоемкость добавки использоваласьполностью, что соответствовало Зх кратному увеличению критических энергий магнита с ВД и оказалось эквивалентно 2х кратному увеличению критического запаса по температуре в сравнении с контрольным соленоидом без добавок.

3. Разработан метод расчета скоростных зависимостей токов перехода в нормальное состояние модельных ЫМл СМ из промышленно выпускаемых композитных сверхпроводников с внешним легированием ВД и без него. В результате сравнения расчетных кривых с известными экспериментальными данными обнаружено, что времена ввода тока в (0,1−100) с гарантируют полное использование добавленной теплоемкости, и введение 5 об.% ВД ОсЬСЬЗ в эпоксиднуюсмолу увеличивает токи перехода на 25−55% при скоростях изменения собственного магнитного поля вплоть до 15 Тл/с. Показано, что использование ВД позволяет частично подавлять проявление термомагнитных неустойчивостей (наблюдаемых у контрольного магнита без добавок), даже несмотря на крайне малую продолжительность этих процессов (<100 мкс).

4. Разработан метод анализа устойчивости модельных соленоидов из NbTi кабелей Резерфордовского типа с внешним легированием ВД НоСи2 и CeCiio и без него по отношению к максимально допустимым скоростям изменения собственного магнитного поля. Показано, что внешнее внесение 3 об.% ВД позволяет заметно увеличить допустимую скорость запитки магнитов (до 75% при dB/dt ~ 8 Тл/с). Полученные с помощью разработанных численно-аналитических кодов расчетные скоростные зависимости токов перехода в нормальное состояние находятся в хорошем согласии с экспериментом, что говорит о полном использовании добавленной теплоемкости при временах нарастания поля 1−30 с.

5. Создан автоматизированный программный код,. позволяющий определять критические энергии коротких образцов комбинированных NbTi сверхпроводников с «промежуточным» легированием различными ВД (CeCue, HoCu2, РгВб, СеА12, Gd202S), подвергающихся импульсному воздействию продольных электромагнитных возмущений по длительности и энергиям соответствующих механотермическим. Прямое сопоставление между собой экспериментальных значений критических энергий возмущающего R-L-C контура оказалось невозможным из-за существенного различия физических свойств образцов. Благодаря разработанным методам анализа экспериментальных данных обнаружено существенное увеличение стабильности легированных образцов — до 3,5 раз, по сравнению с образцом без добавок. Установлено, что технология «промежуточного» легирования позволила снизить время полного прогрева добавок с десятков миллисекунд (при внешнем легировании) до ~ 1 мс. Показано, что метод остается целесообразным и для хорошо охлаждаемых обмоток: при охлаждении половины периметра образцов с ВД жидким гелием максимальный рост их критических энергий составил 2,5 раза, по сравнению с контрольным образцом без добавок.

6. Разработан метод анализа устойчивости коротких образцов качественно нового типа сверхпроводников на основе NbTi и Nb3Sn с внутренним легированием 5 — 7 об. % ВД Gd202S* и РгВб (близких по конструкции к проводам для обмоток Международного термоядерного реактора ИТЭР) по отношению к электромагнитным импульсным возмущениям продолжительностью ~ 1 мс. При пересчете критических энергий возмущающего контура (известных из эксперимента) в электрические потери в образцах и последующем сопоставлении с их максимальной теплопоглощающей способностью обнаружено, что благодаря удачному размещению тонкий кольцевой ВД слой играл роль дополнительного теплового сопротивления между сверхпроводящей зоной и разогревающейся медной оболочкой. Критические энергии Nb3Sn сверхпроводника с ВД по сравнению с контрольным образцом без добавок возросли в 6 раз, минимальная индукция магнитного поля, при которой в проводнике возникали скачки магнитного потока — на 70%. Увеличение стабильности NbTi проводников оказалось меньшим по причине низкой температуропроводности ВД жил, обусловленной их большим поперечным размером.

9. Numazawa Т., Yanagitani Т., Nozava H., et al. A New Ceramic Regenerator Material for 4 К Cryocoolers// Cryocoolers. New York. Kluwer Academic. Plenum Publishers.

2003. Vol. 12. P. 473−481.

10. Trevisani L., Kuriyama Т., Negrini F., et al., Performance Improvement of a Two-stage GM Cryocooler by Use of Er (Nio.o75Co0.925)2 Magnetic Refrigerator Material // Cryogenics 2002. Vol. 42. P. 653−657.

11. Молщаков B.B., Брандт Н. Б. Немагниные кондо-решетки// УФН. 1986. Т. 149. Вып. 4. С. 585−590.

12. Hancox R. Enthalpy stabilized superconducting magnets // IEEE Trans, on Magn. 1968. Vol. MAG-4. P. 486−488.

13. Rosenblum S., Steinberg H., Steyert W. IEEE Trans on magnetic MAG-13. 1977. P. 834.

14. Baynham D.E., Edwards V.W. and Wilson M.N. Transient stability of high current density superconducting wires // IEEE Trans, on Magn. 1987. Vol. 19. No 3. P. 676 679.

15. Kwasnitza K., Barbisch В., Hulliger F. Metallic materials for superconductor stabilization with very high specific heat and good thermal conductivity// Cryogenics. 1983. Vol. 23. P. 649−652.

16. Barbisch В., Kwasnitza K. Experiments on enthalpy stabilization in technical superconductors // Proc ICEC.1984. Vol.10. P.689.

17. Алексеев П. А. и др. Сверхпроводящие обмотки (варианты) // Патент No 2 254 633 РФ. 2003.

18. Alekseev Р.А., et al. Experimental evidence of considerable stability increase in superconducting windings with extremely high specific heat substances// Cryogenics.

2004. Vol. 44. No 1. P. 763−766.

19. Morgan G.H.// Journal Appl. Phys. 1970″ Vol. 41 P. 3673.

20. Брехна Г. Сверхпроводящие магнитные системы// Мир. Москва. 1976. С. 296 313.

21. Carr W.J.// IEEE Trans, on Magnetics MAG-13. 1977. Vol.1. P. 192.

22.Кейлин B.E. Простое уравнение критической поверхности жестких сверхпроводников II рода// Д. А. Н. 263. 1982. No 1. С. 90−92.

49. Bordini В., Rossi L. Self field instability in high-Jc Nb3Sn strands with high copper residual resistivity ratio // IEEE Trans. Appl. Supercond. 2009. Vol. 19. No. 3, P. 2470.

50. Brazi E. et al. Development and study of Nb3Sn strands and cables for high field accelerator magnets // Advanced in Cryogenic Engineering: Transactions of the Cryogenic Engineering Materials conference — ICMC-2010. Vol. 56. P. 183−190.

51. HancoxR. //Phys. Lett. 1965. Vol. 16. No 3. P. 208−209.

52.Кейлин B.E. и др. Увеличение термомагнитной устойчивости комбинированных сверхпроводников с добавками веществ обладающих экстремально высокой теплоемкостью// Письма в ЖТФ. 2008. Том 34. Вып. 10. С. 28−33.

53. В. Е. Кейлин, И. А. Ковалев, C.JI. Круглов, В. И. Щербаков, Д. И. Шутова. Обнаружение значительного увеличения термомагнитной стабильности у многожильных сверхпроводников с внутренним легированием высокотеплоемкими добавками //ЖТФ. 2010. т. 80: вып. 2. Стр. 155−158.

54. Гуревич А. В., Рахманов A. JL, Минц Р. Т. // Физика композитных сверхпроводников// Москва. .Наука. 1987. стр. 126−139.

55. Круглов C. JII, Щербаков В. И. Динамика скачка потока в композитном сверхпроводнике //ЖТФ. 2002. т. 72. N 11. С. 121−124.

56. Lounasmaa O.V. Specific heat of gadolinium and ytterbium metals between* 0.4 and 4 K// Phys. Rev. 1962. Vol. 129. No 6. P. 2460−2464.

57. Hill R.W., et al. The specific heats of LaAg, GdAg and Gd203 from 0.5 to 22 К // J.Phys.C Solid State Phys. 1983.Vol.16. P. 2871−2880.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Р.А. Alekseev, A.I. Boev, V.E. Keilin, I.A. Kovalev, S.S. Kozub, E.A. Kostrov, S.L. Kruglov, V.N. Lazukov, I.P. Sadikov, D.I. Shutova. Influence of heat capacity substances doping on quench currents of fast ramped superconducting oval windings // Cryogenics. 2006. Vol. 46. P. 252−255.

2. I.I. Akimov, P.A. Alekseev, V.E. Keilin, I.A. Kovalev, S.L. Kruglov, E.A. Kostrov, V.N. Lazukov, M.I. Medvedev, I.P. Sadikov, A.K. Shikov, D.I. Shutova. Stability increase of NbTi conductors with additions of extremely large specific heat substances // IEEE Transactions on Applied Superconductivity conference 2006. Vol. 16. No 2. P. 1172−1175.

3. E.A. Костров, C.JI. Круглов, Д.И.- Шутова // Обнаружение значительного увеличения стабильности комбинированных сверхпроводников с добавками iMf.

43 $! веществ, обладающих экстремально высокой теплоемкостью // Препринт ИАЭ-6427/10 М. 2006.

4. P.A. Alekseev, V.E. Keilin, I.A. Kovalev, S.L. Kruglov, V.N. Lazukov, M.I. Medvedev, D.I. Shutova. Investigation of considerable stability increase of composite superconductors doped with extremely large heat capacity substances // Superconductor Science and Technology. 2007. Vol. 20. P. 71−76.

5. П. А. Алексеев, B.E. Кейлин, И. А. Ковалев, СЛ. Круглов, В. Н. Лазуков, М. И. Медведев, Д. И. Шутова. Обнаружение значительного увеличения стабильности комбинированных сверхпроводников с добавками веществ с чрезвычайно высокой теплоемкостью при. низких температурах //ЖТФ. 2007. т. 77. вып. 9. Стр. 48−53.

6. V.E. Keilin, I.A. Kovalev, S.L. Kruglov, D.I. Shutova. The influence of thermal disturbance duration on the stability of superconducting windings with extremely large heat capacity substances //Superconductor Science and Technology. 2008.Vol. 22. No 2.21 25 018.

7. V.E. Keilin, I.A. Kovalev, S.L. Kruglov, A.E. Vorobjeva, M.I. Medvedev, A.K. Shikov, D.I. Shutova. Considerable stability increase of Nb3Sn multifilamentary wire internally doped with a large heat capacity substance (PrB6) // Superconductor Science and Technology. 2009.Vol. 22. No 8. 85 007.

8. B.E. Кейлин, И. А. Ковалев, СЛ. Круглов, В. И. Щербаков, Д. И. Шутова. Обнаружение значительного увеличения термомагнитной стабильности у многожильных сверхпроводников с внутренним легированием высокотеплоемкими добавками //ЖТФ. 2010: т. 80. вып. 2. Стр. 155−158.

9. В. Е. Кейлин, И. А. Ковалев, СЛ. Круглов, Д. И. Шутова. Влияние легирования сверхпроводящих соленоидов высокотеплоемкими добавками на стабильность в динамических режимах //ЖТФ. 2010. т. 80. вып. 3. Стр. 115−117.

10. А. Е. Воробьева, В. Е. Кейлин, И. А. Ковалев, СЛ. Круглов, М. И. Медведев, Л. В. Потанина, Н. И. Салунин, А. К. Шиков, Д. И. Шутова. Исследование увеличения стабильности композитного NbTi сверхпроводника с добавкой высокотеплоемкого соединения Gd202S //ЖТФ. 2010. т. 80. вып. 10. Стр. 70−73.

11. В. Е. Кейлин, И. А. Ковалев, СЛ. Круглов, А. К. Шиков, Д. И. Шутова, А. Е. Воробьева, М. И. Медведев, Л. В. Потанина, Н. И. Салунин. Использование высокотеплоемких добавок для повышения стабильности сверхпроводящих магнитов (обзор экспериментальных результатов) // Препринт ИАЭ-6635/10. 2010.

12. В. Е. Кейлин, И. А. Ковалев, СЛ. Круглов, А. К. Шиков, Д. И. Шутова, А. Е. Воробьева, Л. В. Потанина, Н. И. Салунин. Разработка и исследование сверхпроводящих проводов и обмоток с добавками высокотеплоемких порошков // Сборник трудов 4й всероссийской конференции по наноматериалам «Нано-2011», секция 5 — Нанокомпозиты, стр. 529.

13. V.E. Keilin, I.A. Kovalev, S.L. Kruglov, A.K. Shikov, D.I. Shutova, A.E. Vorobjeva, M.I. Medvedev, L.V. Potanina, N.I. Salunin. Utilization of large heat capacity substances for improving the stability of superconducting magnets // Cryogenics. 2011. Vol. 51. P. 359−365.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В Табл.4.1 обобщены основные результаты, полученные в ходе моделирования и теоретического анализа экспериментов по исследованию различных методов внесения ВД в состав СМ.

На рис. 4.1 приведено сравнение результатов опытов по определению критических энергий сверхпроводников с внутренним легированием ВД с данными экспериментальной работы [14] 1987 года (авторы М. Wilson et all.), в которой проводились измерения устойчивости к кратковременным электромагнитным возмущениям (т ~ 0,1 мс) NbTi и NbsSn композитных проводников в адиабатических условиях и при наличии прямого охлаждения жидким гелием. Видно, что контакт с хладагентом позволяет до 10 раз увеличить критические энергии проводников, по сравнению с адиабатическим случаем. Поскольку условия проведения экспериментов, описанных в [14] и в наших работах [44, 45] различались по величине индукции внешнего магнитного поля и транспортным токам в образцах, сравнение проводилось по величине критических температурных запасов (левая часть Рисунка 4.1 отведена для NbTi проводников с ЛГс (/,£)= 0,25−1 К, правая — для Nb3Sn с ATC (I, B) = 1 — 4 К.

Кейлин и др (2009).

Критические энергии дляЫЬТ) и КЬЗБл проводников 5 условиях плотной обмотки с (Ж, •) И без (Д, О) внутреннего легирования ВД.

0,25.

0,75.

ДТ (I, В), К.

Рис. 4.1 — Сравнение критических энергий композитных сверхпроводников с внутренним легированием ВД с данными работы [14], полученными на теплоизолированных и хорошо охлаждаемых №>Т1 и Мэ38п проводах.

Видно, что критические энергии N1)14 и МэзБп проводов без добавок из наших работ совпадают с измерениями, приведенными в работе [14] для хорошо теплоизолированных образцов. Прибавка к критической энергии теплоизолированных проводников за счет введения добавок оказалась заметной на фоне непосредственного охлаждения жидким гелием. С учетом преимуществ плотных обмоток, таких как высокая плотность тока, их механическая и электрическая прочность, выбор между легированием ВД и вводом в конструкцию каналов для хладагента становится, по крайней мере, дискуссионным вопросом.

NbTi вакуум.

Попадание заряженных частиц шшш.

Скачки потока.

Тепловые течи.

ДТ (1,В)=1.

Увеличение стабильности за счет: охлаждения жидким гелием (Baynham et all [2]) внешнего легирования ВД ф внутреннего легирования ВД.

NbTi+He.

0.001 0.01 0.1.

100 1000 1000.

Время, мс.

Рис. 4.2 — Рост устойчивости проводников и обмоток на основе №>11 за счет легирования ВД и охлаждения жидким гелием по отношению к энергии типичных тепловых возмущений в СМ.

На рис. 4.2 показан энергетический спектр возможных возмущений в СМ, предложенный профессором Ивасой (Массачусетский технологический университет, США) [3], на который наложены экспериментальные данные по росту критических энергий проводников и обмоток на основе NbTi, за счет различных методик легирования ВД при АТС (1,В)= К, а также прямого охлаждения жидким гелием [14].

Главный вывод из проведенных исследований заключается в том, что легирование низкотемпературных СМ высокотеплоемкими добавками может значительно увеличить их стабильность, снизить тренировку и ' т.д. Использование метода также позволяет поднимать инженерную плотность I тока, без снижения надежности работы СМ. Наиболее перспективным направлением является разработка технологии массового производства СП проводов с жилами ВД. По предварительным оценкам их цена по сравнению с обычными NbTi и Nb3Sn проводами возрастет незначительно (на 5−10%).

Благодарности:

В заключении, хочу выразить благодарность моему научному руководителю — Круглову C.JI., а также проф. В. Е. Кейлину и И. А. Ковалеву за их постоянное внимание и неоценимую помощь в процессе работы по теме. Отдельное спасибо авторам идеи П. А. Алексееву, В. Н. Лазукову и И. П. Садикову, предложение которых положило начало отечественным разработкам по стабилизации сверхпроводниковых магнитов с помощью высокотеплоемких добавок. Спасибо всему большому коллективу Института Сверхпроводимости и физики твердого тела и ВНИИНМ им. академика A.A. Бочвара, благодаря объединенным усилиям которых тема сегодня развивается и находится на пороге внедрения в промышленное производство.