close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Сверхпроводники I

код для вставкиСкачать
Школа-семинар "Современные ускорительные технологии в релятивистской ядерной физики"
Сверхпроводящие магнитные технологии
Г.Г. Ходжибагиян
ОИЯИ, Дубна, 22 апреля 2011 г.
Содержание
1. Сверхпроводимость
•
сверхпроводники I рода
•
сверхпроводники II рода
•
высокотемпературные сверхпроводники
2. СП провода и кабели, технология их изготовления
3. Сверхпроводящие магниты для синхротронов:
•
магниты типа Cos «θ»
•
магниты типа «оконная рама» с обмоткой из
трубчатого сверхпроводника
Сверхпроводники I –го рода
•
В 1911 г. Xейке Камерлинг-Оннес
впервые
наблюдал
явление
скачкообразного
исчезновения
электрического
сопротивления
ртути при ее охлаждении ниже
4,15К. Он пришёл к выводу, что
ртуть при 4,15 К переходит в новое
состояние - сверхпроводящее.
Несколько позднее КамерлингОннес
обнаружил,
что
электрическое
сопротивление
ртути
восстанавливается
при
включении достаточно сильного
магнитного поля .
Сверхпроводники I –го рода
В 1933 г. немецкие физики В. Мейснер и Р. Оксенфельд установили,
что слабое магнитное поле не проникает вглубь сверхпроводника.
Распределение магнитного поля около сверхпроводящего шара:
а) Т > Тк; б) Т < Тк, внешнее поле Нвн ≠ 0; в) Т < Тк, Нвн = 0.
Эффект Мейснера связан с тем, что при Н < Нк в тонком поверхностном
слое сверхпроводника появляется незатухающий ток, магнитное поле
которого компенсирует внешнее поле.
Сверхпроводники I –го рода
Сверхпроводники
I-го
рода,
которыми являются почти все
чистые
сверхпроводящие
металлические элементы, теряют
сверхпроводимость при поле Н =
Нк, когда поле скачком проникает
в металл, и он во всём объёме
переходит
в
нормальное
состояние.
Критическое
поле
сверхпроводника Нк зависит от
температуры: оно максимально
при Т = 0 и монотонно убывает до
нуля по мере приближения к Тк.
Критичес
кая
температ
ура ТК, К
Вещество
Критичес
кое поле
Н0, э
Свинец
7,2
800
Тантал
4,5
830
Олово
3,7
310
Алюминий
1,2
100
Цинк
0,88
53
Вольфрам
0,01
1,0
Сверхпроводники II –го рода
В начале 60-х годов прошлого
века
были
открыты
сверхпроводники II-го рода,
которые
по
своему
поведению в достаточно
сильных магнитных полях
принципиально отличаются
от сверхпроводников
I-го
рода.
Смешанное состояние означает сосуществование сверхпроводимости и
нормальных несверхпроводящих тонких ниток – вихрей Абрикосова или квантов
магнитного потока, вытянутых вдоль силовых линий магнитного поля.
Сверхпроводники II –го рода
•
К сверхпроводникам II-го рода
относится
большинство
СП
сплавов. Кроме того, СП II-го рода
становятся и СП I-го рода при
введении
в
них
достаточно
большого количества примесей.
Среди СП II-го рода выделяют
группу жёстких сверхпроводников.
В этих материалах сильные
постоянные электрические токи
могут протекать без потерь, вплоть
до полей близких к Нк2. Поэтому
именно жёсткие СП представляют
интерес
с
точки
зрения
изготовления обмоток магнитов.
Сверхпроводники II –го рода
Критическая поверхность для сплава Nb – Ti
Сверхпроводники II –го рода
Зависимость критической
плотности тока Jc от
магнитного поля В при 4,2 К
для сплава Nb -Ti и
интерметаллического
соединения Nb3Sn.
Заштрихована область
значений, в которой
используются обычные
электромагниты.
Сверхпроводники II –го рода
Зависимость критического поля от температуры
Низкотемпературная сверхпроводимость
• В низкотемпературных сверхпроводниках I-го и II-го рода электроны
взаимодействуют через фононы – кванты тепловых колебаний
положительно заряженных ионов, составляющих кристаллическую
решетку металла. При испускании и поглощении фононов между
электронами возникает взаимное притяжение - спаривание. Такая
модель низкотемпературной сверхпроводимости называется теорией
Бардина–Купера–Шриффера (БКШ) – в честь ученых, разработавших
ее в 1957 г.
Высокотемпературные сверхпроводники
•
Высокотемпературная
сверхпроводимость (ВТСП) была
открыта в оксидных керамиках в
1986 году. Известно, что в ВТСП
сверхпроводимость
обеспечивается
также
спариванием электронов. Однако
до сих пор не известны силы,
удерживающие электроны в парах
в ВТСП.
Высокотемпературные сверхпроводники
ВТСП 2-го поколения – это тонкие пленки на основе редкоземельных элементов:
иттрия, самария и гадолиния, нанесенные на металлическую подложку.
Конструкция ВТСП ленточного проводника: медный стабилизирующий слой,
серебряное покрытие, сверхпроводник, буферные прослойки, подложка.
Высокотемпературные сверхпроводники
В настоящее время широкое применение ВТСП сдерживается их высокой
стоимостью, малыми строительными длинами (до 1,5 км), хрупкостью,
низкой конструктивной плотностью тока. Однако технология изготовления
ВТСП материалов постоянно совершенствуется и их стоимость уменьшается.
Высокотемпературные сверхпроводники
Стоимость технических обмоточных проводов
Сверхпроводящие провода и кабели, технология их
изготовления
Мелкодисперсный СП провод для работы в импульсных
магнитных полях: 1 – NbTi нить, 2 - медная матрица.
Сверхпроводящие провода и кабели, технология их
изготовления
Схема
изготовления
много
волоконного NbTi провода в
медной матрице: 1- медная
пробка, 2 – NbTi стержень, 3 –
стакан из меди, 4 - заварка под
вакуумом, 5 – нагрев, 6 –
экструзия, 7 – стержень с одним
сердечником, 8 – шестигранник, 9
– сборка, 10 заварка под
вакуумом, 11 - экструзия, 12 стержень
с
несколькими
сердечниками, 13 – холодное
волочение, 14 – много волоконная
проволока, 15 – термообработка,
16 – скручивание, 17 – отжиг, 18 –
нанесение изоляции, испытание,
20 – готовая продукция.
Сверхпроводящие провода и кабели, технология их
изготовления
Транспонированные кабели для импульсных магнитов
Сверхпроводящие провода и кабели, технология их
изготовления
Кабель «резерфордовского» типа
Сверхпроводящие провода и кабели, технология их
изготовления
Полые проводники: 1 – медь, 2 – сверхпроводник.
Сверхпроводящие провода и кабели, технология их
изготовления
а – схема изготовления кабеля в оболочке, б – поперечное сечение кабеля
Сверхпроводящие провода и кабели, технология их
изготовления
Трубчатый кабель Нуклотрона: 1 – охлаждающая трубка, 2 – СП провод,
3 – бандажный провод, 4 – полиимидная лента, 5 – стеклолента,
пропитанная эпоксидным компаундом.
Сверхпроводящие провода и кабели, технология их
изготовления
Ic/I0 в зависимости от dB/dt для двух типов кабелей, применяемых
в обмотках магнитов для синхротронов.
Сверхпроводящие магниты для синхротронов
Магниты типа Cos «θ»
Идеальная форма обмоток, образованных в результате пересечения эллиптических
цилиндров, для магнитов дипольного (а) и квадрупольного (б) типов.
Сверхпроводящие магниты для синхротронов
Магниты типа Cos «θ»
Поперечные сечения обмоток, с помощью которых на практике
аппроксимируют идеальные конфигурации обмоток типа «cos θ» (а)
или пересекающихся эллипсов (б, в).
Сверхпроводящие магниты для синхротронов
Магниты типа Cos «θ»
Дипольные магниты с обмоткой типа «cos θ»
Сверхпроводящие магниты для синхротронов
Магниты типа Cos «θ»
Сверхпроводящие магниты для синхротронов
Магниты типа Cos «θ»
Магниты типа «оконная рама» с обмоткой из
трубчатого сверхпроводника
Поперечное сечение дипольного и квадрупольного магнитов Нуклотрона
•
Из магнитов типа «оконная рама» с обмоткой из трубчатого сверхпроводника
в настоящее время работает только один синхротрон – Нуклотрон и находятся
в стадии создания ускорители: SIS100, Бустер и Коллайдер NICA.
Магниты типа «оконная рама» с обмоткой из
трубчатого сверхпроводника
Схема размещения магнита Нуклотрона в криостате
Магниты типа «оконная рама» с обмоткой из
трубчатого сверхпроводника
Сравнение между вариантами магнита для FAIR SIS100.
Четверть сечения магнита: из медного проводника (слева);
магнит типа Нуклотрон (справа).
Магниты типа «оконная рама» с обмоткой из
трубчатого сверхпроводника
Поперечное сечение дипольного и квадрупольного магнита Бустера NICA
Изготовление ярма магнита Бустера NICA
Детали изогнутого магнита для Бустера NICA
Изготовление ярма магнита Бустера NICA
Сборка полуярма из пакета пластин и сжатие его в осевом
направлении с усилием 50 кН
Изготовление ярма магнита Бустера NICA
Пластины из электротехнической стали свариваются на стапеле с лобовыми,
боковыми и верхними силовыми пластинами полуярма.
Изготовление ярма магнита Бустера NICA
Финишная обработка полуярма.
Изготовление сверхпроводящего трубчатого
кабеля
Два вращающихся барабана с СП проводами, намотанными на 18 катушек.
Изготовление сверхпроводящего трубчатого
кабеля
Направляющие устройства, фильера и устройство для нанесения
бандажной проволоки.
Изготовление сверхпроводящего трубчатого
кабеля
Нанесение электрической изоляции полиимидной (слева) и стеклолентой,
пропитанной эпоксидным компаундом горячего отверждения (справа).
Изготовление сверхпроводящего трубчатого
кабеля
Приемный барабан готового кабеля.
Изготовление обмотки
Намотка полуобмотки на поворотном столе с помощью шаблона
Изготовление обмотки
Нанесение корпусной изоляции
Изготовление обмотки
Покрытие фторопластовой лентой перед монтажом
полуобмотки в форму для термообработки в печи.
Изготовление обмотки
Готовая полуобмотка
Сборка магнита
Установка обмотки в ярмо
Сборка магнита
Пайка гелиевых коммуникаций и
проходных изоляторов.
Магнит перед монтажом
в криостат
Подготовка к криогенным испытаниям дипольного
магнита для Бустера NICA
Монтаж магнита в криостат
Подготовка к криогенным испытаниям дипольного
магнита для Бустера NICA
Монтаж криостата с магнитом на стенд для криогенных испытаний
Подготовка к криогенным испытаниям
квадрупольного магнита для SIS100
Магниты для Коллайдера NICA
Поперечное сечение дипольного и квадрупольного магнита Коллайдера NICA
Магниты для Коллайдера NICA
Ярмо дипольного магнита Коллайдера NICA на стенде для вакуумных испытаний
Магниты для Коллайдера NICA
Дипольный магнит Коллайдера NICA в криостате
Спасибо за внимание!
Main parameters of the Booster magnets
54
SC cable for the NICA Booster and Collider
Cross-section view of the SC cables for Booster (left) and Collider (right) lattice
magnets: 1 - epoxy impregnated glass-fiber tape; 2 – Kapton insulation tape; 3 – Ni-Cr
wire; 4 – NbTi strand; 5 – Cu-Ni tube with channel for two-phase helium flow.
55
SC cable for the NICA Booster and Collider
56
Main parameters of the Collider magnets
57
Документ
Категория
Презентации по физике
Просмотров
37
Размер файла
10 680 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа