Большая техническая энциклопедия
2 4 7
D L N
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я
СА СБ СВ СГ СД СЕ СЖ СИ СК СЛ СМ СН СО СП СР СТ СУ СФ СХ СЦ СЧ СШ СЪ СЫ СЭ СЮ

Сверхпроводящая проволока

 
Сверхпроводящая проволока диаметром - 50 - 100 мкм неудобна для намотки сверхпроводящего магнита, поскольку ее трудно изолировать и сложно изготовить катушку с огромным числом витков, не говоря уже о том, что производство самой проволоки вызывает существенные затруднения. Поэтому сверхпроводники, выпускаемые промышленностью, представляют собой большое число тонких сверхпроводящих волокон, заключенных в матрице из нормального металла. Поперечные сечения двух типичных многоволоконных проводов, выпускаемых фирмой IMI Titanium, представлены на рис, ТА.
Длинная сверхпроводящая проволока помещена в однородное магнитное поле с индукцией В, перпендикулярное оси проволоки.
Рассмотрим сверхпроводящую проволоку диаметром dc, помещенную в матрицу с площадью поперечного сечения ан и удельным сопротивлением рн. Коэффициент теплопередачи между сверхпроводником и медью равен 7 Вт / см2 - К - Допустим, что сверхпроводник несет ток насыщения и медь имеет температуру окружающей среды. Положим, что в результате небольшого роста температуры сверхпроводника ток А / с перетекает в медь.
Рассмотрим сверхпроводящую проволоку, по которой течет ток благодаря внешнему источнику. Физики называют этот ток током переноса, так как он переносит заряд по проволоке. Если проволока находится во внешнем магнитном поле, то возникшие на поверхности проводника экранирующие токи складываются с токами переноса и в каждой точке ток / можно рассматривать как суммарный.
Если сверхпроводящую проволоку сделать достаточно тонкой, скажем диаметром примерно 100 мкм, то скачки потока в ней не происходят даже в адиабатических условиях.
Соединение кусков сверхпроводящей проволоки из сплава ниобий - титан может быть осуществлено контактной сваркой. Места соединения обладают меньшей силой пиннинга, чем цельная проволока, и при намотке их нужно располагать в участках с относительно низкой напряженностью поля.
Сегодня наша промышленность выпускает сверхпроводящие проволоки и ленты для самых различных нужд.
Низкочастотный импеданс короткого куска сверхпроводящей проволоки или ленты, являющегося частью простого замкнутого контура, носит главным образом индуктивный характер. Соответственно прямоугольный импульс тока вызывает появление на потенциальных контактах образца положительного выброса напряжения, соответствующего переднему фронту, и отрицательного выброса напряжения, соответствующего заднему фронту. Если вершина импульса не была плоской, то на потенциальных выводах возникает соответствующий сигнал, зависящий от скорости изменения тока. Однако, если вершина плоская и образец полностью находится в сверхпроводящем состоянии, сколько-нибудь заметного напряжения не возникает даже при столь большом усилении, когда индукционные выбросы, соответствующие фронтам, сильно перегружали усилитель осциллографа. Две осциллограммы, приведенные на рис. 7, а1 демонстрируют и ту и другую ситуацию; образцом служила свинцовая проволочка диаметром 0 51 мм, расстояние между потенциальными выводами равнялось 47 3 мм.
Как только в коротком отрезке сверхпроводящей проволоки с током возникает сопротивление из-за неодно-родностей температуры, поля или самой проволоки, в этом отрезке протекающий ток начинает генерировать джоулево тепло. Если тепловой поток, распространяющийся в соседние участки проволоки, достаточно велик, он вызовет их переход в нормальное состояние. Если уменьшить в проволоке ток, а следовательно, и интенсивность выделения джоулева тепла, направление движения границы перехода может измениться. Такое начавшееся распространение, а затем возвращение нормальной фазы показано на рис. 8, а для свинцовой проволочки.
Теперь необходимо отметить влияние свойств некоторых сверхпроводящих проволок на их критический ток. Ранее было показано, что проволока сверхпроводника 2-го рода имеет отличительный признак, называемый характеристикой короткого образца. Обычно последний измеряется током, при котором впервые заметен определенный градиент напряжения, зависящий от напряженности поля. Очевидно, что в проволоке, для которой q меньше единицы, этот ток короткого образца превышает ток насыщения. В проволоках малого диаметра, покрытых нормальным металлом с низким удельным сопротивлением ( типа меди), q может быть значительно меньше единицы. В этом случае критический ток короткого образца может оказаться значительно выше тока насыщения, если появление сопротивления определяется градиентом напряжения.
При этом методе стабилизации одна или много сверхпроводящих проволок образуют композит вместе со значительным количеством меди или другого нормального металла высокой проводимости. Весь композит опущен в жидкий гелий.
Хотя это выражение является критерием криостатической стабильности сверхпроводящих проволок, заключенных в медную матрицу, оно выведено из условия динамической устойчивости композита и фактически является условием динамической устойчивости сверхпроводника.
Именно этот сплав был первоначально выбран для промышленного изготовления сверхпроводящей проволоки. Электронно-микроскопические исследования показали, что это приводит к образованию ячеистой дислокационной структуры с ячейками, сильно вытянутыми вдоль направления волочения. Термообработка, по-видимому, вызывает перемещение дислокаций из центра ячейки к ее границе, что повышает различие между свойствами материала на границе и внутри ячейки. Предполагается, что такие границы ответственны за пиннинг потока в богатых ниобием сплавах. К сожалению, посредством холодной деформации не удается добиться очень малых размеров ячеек. Было показано [9], что после волочения, приведшего к уменьшению поперечного сечения рекристаллизованной проволоки в 100 раз, размер ячейки достиг 64 нм.
В этом разделе подробнее рассмотрим, что происходит в сверхпроводящей проволоке, которая вся находится в критическом состоянии. Это состояние представлено верхним профилем на фиг. Схема прибора для определения критической скорости ползучести в сверхпроводнике 2-го рода изображена на фиг.

Первоначально предполагалось, что деградация может быть обусловлена слабыми участками в сверхпроводящей проволоке, которая имеет длину порядка нескольких километров даже в магнитах сравнительно небольших размеров.
Экспериментальным путем, установлено ( эффект Мейснера): если приложить магнитное поле параллельно сверхпроводящей проволоке, то при определенной ( критической) величине напряженности этого поля сопротивление проволоки внезапно восстанавливается. Физический смысл этого явления состоит в том, что изменение внешнего магнитного поля индуцирует токи на поверхности металла. Магнитное поле и поверхностный ток проникают в сверхпроводник на глубину 10 - 100 нм. Наличие тока в очень тонком поверхностном слое сверхпроводника приводит к увеличению его сопротивления. Напряженность внешнего магнитного поля в криотроне изменяется с помощью тока / упр, пропускаемого через управляющий провод. В зависимости от величины этого тока скачкообразно меняется ток вентильного провода от значения / вент, max, когда провод находится в сверхпроводящем состоянии, до значения / вент - min при восстановлении его сопротивления.
Способ а используется в большинстве опытов по определению критической плотности тока в коротких образцах сверхпроводящей проволоки. Изменение профилей проникновения в этом случае иллюстрируется фиг.
Самым сложным звеном этой схемы является тепловой выключатель. Он представляет собой сверхпроводящую проволоку, навитую в безындукционную катушку, заключенную в оболочку, которую можно нагревать до 20 К. Эта прово лока соединяется с концами обмотки магнита сверхпроводящими контактами.
Когда магнитное поле, параллельное оси сверхпроводящей проволоки, достигает критического значения, ее сопротивление скачком меняется от нуля до нормальной величины. Де-Хааз и Энгелькес [69] показали, что для олова ( при данной температуре) значение поля, при котором сопротивление проволоки полностью восстанавливается, совпадает с тем значением, при котором проницаемость оловянной сферы становится равной единице.
Явление сверхпроводимости используется для получения весьма сильных магнитных полей. Если обмотку электромагнита ( 111.4.3.7) изготовить из сверхпроводящей проволоки, то в такой обмотке создается огромная плотность токов и, соответственно, электромагнит имеет сильное магнитное поле.
Явление сверхпроводимости используется для получения весьма сильных магнитных полей. Для этого обмотки электромагнита должны быть изготовлены из сверхпроводящей проволоки, изготовленной из сверхпроводящих сплавов с большим значением критический напряженности Якр.
Постройка сверхпроводящих магнитов - далеко не простое дело. Казалось бы, что тут сложного; требуется только намотать из сверхпроводящей проволоки катушку, замкнуть ее концы и пустить по такому контуру достаточно сильный ток.
Хотелось бы предостеречь вас, что правильный ответ не зависит от всяких несущественных факторов, таких, как несимметричное положение батареи, например. В самом деле, вы можете представить себе, скажем, такой идеальный случай: соленоид сделан из сверхпроводящей проволоки, через которую проходит ток. После того как диск тщательно установлен неподвижным, температуру соленоида медленно начинают повышать.
Иными словами, фермионы, находящиеся на уровне с А 0, ведут себя как безмассовые частицы определенной киральности в ( 1 1) - мерном пространстве-времени. Как мы сейчас убедимся, при включении в модель электромагнитного поля это свойство приводит к тому, что струна ведет себя как тонкая сверхпроводящая проволока.
Мы полагаем, что можно будет получать проволоку длиной в несколько километров. Изучение значений критических токов в проволоке такого рода, которая изучалась нами, и предварительные результаты, полученные для маленьких соленоидов, показывают, что такая сверхпроводящая проволока найдет важное практическое применение для создания больших сверхпро-водни ковых соленоидов.
Поскольку на изготовление сверхпроводящего магнита средних размеров идет несколько километров провода, очевидно, что многоволоконный провод с параллельными оси волокнами не будет иметь преимуществ перед сплошной сверхпроводящей проволокой из-за наличия в нем идеальной связи между волокнами.
При низких температурах, близких к абсолютному нулю, медь становится плохим проводником. В сверхпроводящих и криорезистив-ных проводах применяется сплав ниобия с титаном. Сверхпроводящая проволока имеет медное стабилизирующее покрытие, способствующее переходу сверхпроводника в нормальное состояние при резких изменениях магнитного потока.
Второй механизм, который может помешать переходу композитного сверхпроводника к режиму сверхпроводимости, заключается в теплопроводности сверхпроводящего элемента, и проанализировать его гораздо сложнее. Поскольку теплопроводность большинства сверхпроводников 2-го рода очень мала, тепло, выделяемое в сверхпроводнике в соответствии с только что описанным механизмом, создаст значительный температурный градиент. Поэтому температура в центре сверхпроводящей проволоки может быть гораздо выше, чем в матрице, когда сверхпроводник находится в резистивном состоянии. Таким образом, хотя, согласно условию (9.4.2), композит в целом криостатически стабилен, сверхпроводник может оказаться неспособным нести ток из-за чрезмерного роста температуры в некоторой его части.

Торые вызывают механическую деформацию соленоида. Эти силы пропорциональны диаметру соленоида. Разрывную силу, по-видимому, легко должна выдерживать сама сверхпроводящая проволока. Действительно, такая проволока, подвергнутая сильной холодной прокатке, имеет весьма высокий предел текучести.
Для сверхпроводящих образцов некоторых конфигураций магнитные свойства, обусловленные бесконечной проводимостью, могут перекрывать те свойства, которые связаны с идеальным диамагнетизмом. Так именно и происходит в образцах, имеющих форму катушек и колец. Рассмотрим помещенную в магнитное поле замкнутую катушку из сверхпроводящей проволоки, находящейся в нормальном состоянии. При охлаждении катушки ниже точки перехода магнитный поток, пронизывающий ее, остается неизменным.
Виды тепловых возмущений. Первоначально предполагалось, что деградация может быть обусловлена слабыми участками в сверхпроводящей проволоке, которая имеет длину порядка нескольких километров даже в магнитах сравнительно небольших размеров. Кроме того, по мере накопления опыта стало ясно, что сверхпроводящая проволока в большинстве случаев довольно однородна по всей длине.
Сильный диамагнетизм сверхпроводников позволяет удерживать груз в пространстве при помощи магнитного поля. Сверхпроводники могут быть применены для подшипников, работающих без трения, в конструкциях с вращающимися частями. Большое применение находят сверхпроводники в переключающих устройствах ( криотро-нах) или в качестве элемента памяти счетно-решающего устройства, поскольку сопротивление сверхпроводящей проволоки, являющейся сердечником проволочной катушки, можно изменить на огромную величину путем наложения слабого внешнего поля.
Простейшее свойство сверхпроводящего состоя - [ ия - способность проводить ток без возникновения напряжения если ток достаточно мал); это свойство аналогично сверхтекучему ечению Не II через тонкие каналы или в пленке. Сверхпроводи-гость характеризуется критической температурой Тс. При этой емпературе сопротивление сверхпроводящей проволоки более щи менее резко падает до нуля. Считают, что сверхпроводящее остояние фактически представляет собой состояние с нулевым опротивлением, а не просто состояние с очень низким сопротив-юнием. Изящный способ демонстрации существования таких екущих без сопротивления токов состоит в том, что магнитный тержень помещают над вогнутой сверхпроводящей-чашей. Наве - [ енный сверхпроводящий ток выталкивает магнит, который оста-тся в подвешенном состоянии сколь угодно долго. В книге Пенберга [39] приведена фотография этого эксперимента, безусловно, напоминающего возникновение незатухающего сверх-екучего потока Не II в торе.
Сверхпроводящие катушки потенциально, конечно, способны устойчиво работать без источника питания в так называемом режиме замороженного поля. Этот режим достигается за счет замыкания концов обмотки после ее запитки. Замыкание осуществляется тепловым ключом. Он состоит из короткого куска сверхпроводящей проволоки, не имеющей медного покрытия, навитой в безындукционною катушку, и нагревателя. Такой ключ соединяется с выводами катушки.
Это часто делают по высокочастотному сигналу в LC-KOH - туре, индуктивно связанном с кольцом. Кроме того, установка должна быть достаточно жесткой; желательна, в частности, постоянная настройка инструмента. Соответствующее устройство, впервые описанное Циммерманом и др. [45], изображено на фиг. Поскольку полный поток в области, окруженный сверхпроводящей проволокой, постоянен, поток через Сг уменьшается при увеличении потока через С2, и наоборот.
Несмотря на то что большинство магнитных систем работает с постоянно включенным внешним источником тока, он необходим только при увеличении или уменьшении тока в магните. При постоянном токе энергия не поступает от источника тока в магнит и расходуется только на потери в токовводах. При работе с магнитом, предназначенным для эксплуатации в течение длительного времени при неизменном поле, полезно использовать сверхпроводящий тепловой ключ. Согласно схеме, приведенной на рис. 11.12, концы обмотки замыкаются сверхпроводящей проволокой, которую можно перевести нагревателем в нормальное состояние на время, когда нужно изменить ток в магните. При достижении тока требуемой величины нагреватель выключается, проволочная перемычка становится сверхпроводящей и через обмотку магнита течет незатухающий ток, а внешний источник может быть отключен. Можно применять токовводы с разъемом на холодном конце и вынимать их из криостата, что уменьшает теплоприток в криостат. При низких температурах лучше всего применять резьбовой разъем - при завинчивании окисная пленка разрушается вследствие трения и обеспечивается хороший электрический контакт.
Вернемся к образцу проволоки, в котором течет ток насыщения. При этом вдоль образца имеется бесконечно малое незатухающее напряжение. Допустим, что ток немного увеличивается. Сила Лоренца, действующая на вихревые нити, уже превышает среднюю по времени силу пиннинга данного материала, и вихревые нити непрерывно движутся поперек сверхпроводящей проволоки, генерируя тем самым устойчивый градиент напряжения вдоль нее. Если ток продолжает увеличиваться, то движение вихревых нитей почти полностью определяется изменением потока. Тогда отношение бесконечно малых импульсов напряжения к порождающим их бесконечно малым импульсам тока является сопротивлением в смешанном состоянии.
Влияние транспортного тока на кооперативные потери в проводе, помещенном в поперечное магнитное поле, исследовались в работах [14, 15], авторы которых экспериментально доказали, что переменное магнитное поле частично компенсирует эффект собственного магнитного поля транспортного тока ( разд. После первого цикла изменения внешнего поля транспортный ток распределяется довольно равномерно по сечению провода. Они нашли, что при больших скоростях изменения внешнего поля транспортный ток приводит к увеличению полных потерь в ( 1 i2) раз точно так же, как в случае сплошной сверхпроводящей проволоки. При малых скоростях изменения поля потери обнаруживают более сложное поведение. В области малых значений транспортного тока они остаются почти постоянными, а затем резко возрастают при достижении током некоторого характерного значения, которое является функцией безразмерного отношения Ber / Bps ( здесь Вр n0KJca - поле полного проникновения для транспортного тока ( разд. Основные выводы теории неплохо соответствуют эксперименту.
Равенство (33.8) свидетельствует о том, что, когда ток достигает критического значения, должна восстанавливаться половина нормального сопротивления. Как показано на фиг. Наблюдается также некоторый гистерезис: при уменьшении ток убывает до 0 85 критического значения, прежде чем сопротивление исчезнет. По-видимому, приближение, в котором диски обладают пронебрежимыми толщинами, является неточным. В случае, когда, помимо протекающего по цилиндру большого тока, существует еще продольное магнитное поле, в промежуточном состоянии имеют место весьма своеобразные явления. Как впервые было обнаружено Штейнером [92, 93] и подтверждено впоследствии другими авторами, средняя плотность потока в сверхпроводящей проволоке при наложении поля может сильно увеличиваться. Этот парамагнитный эффект все еще полностью не объяснен, хотя почти несомненно, что он является сложным явлением в промежуточном состоянии, по не содержит ничего принципиально нового.
Равенство (33.8) свидетельствует о том, что, когда ток достигает критического значения, должна восстанавливаться половина нормального сопротивления. Как показано на фиг. Наблюдается также некоторый гистерезис: при уменьшении ток убывает до 0 85 критического значения, прежде чем сопротивление исчезнет. По-видимому, приближение, в котором диски обладают пренебрежимыми толщинами, является неточным. В случае, когда, помимо протекающего по цилиндру большого тока, существует еще продольное магнитное поле, в промежуточном состоянии имеют место весьма своеобразные явления. Как впервые было обнаружено Штейпером [92, 93] и подтверждено впоследствии другими авторами, средняя плотность потока в сверхпроводящей проволоке при наложении поля может сильно увеличиваться. Этот парамагнитный эффект все еще полностью не объяснен, хотя почти несомненно, что он является сложным явлением в промежуточном состоянии, по не содержит ничего принципиально нового.
 
Loading
на заглавную 10 самыхСловариО сайтеОбратная связь к началу страницы

© 2008 - 2014
словарь online
словарь
одноклассники
XHTML | CSS
Лицензиар ngpedia.ru
1.8.11