Сверхпроводящие магнитные технологии Сверхпроводящие магнитные технологии Г.Г. Ходжибагиян ОИЯИ, Дубна, 22 апреля 2011 г. Школа-семинар "Современные ускорительные технологии в релятивистской ядерной физики"

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 Камерлинг- Оннес 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. Вещество Критичес кая температ ура Т К, К Критическ ое поле Н 0, э Свинец7,2800 Тантал4,5830 Олово3,7310 Алюминий1,2100 Цинк0,8853 Вольфрам0,011,0

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/I 0 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»

Магниты типа «оконная рама» с обмоткой из трубчатого сверхпроводника 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. Поперечное сечение дипольного и квадрупольного магнитов Нуклотрона

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!

54 Main parameters of the Booster magnets

55 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.

56 SC cable for the NICA Booster and Collider

57 Main parameters of the Collider magnets