Магнитные системы из ВТСП и проблемы их создания. Часть 1.
2014, Tом 11, выпуск 3
Тематика: ВТСП устройства
Технология создания магнитных систем из низкотемпературных сверхпроводников на сегодняшний день хорошо отработана и подробно освещена в литературе. ВТСП проводники стали коммерчески доступным продуктом лишь недавно, и технология создания соленоидов на их основе сейчас находится в стадии активной отработки. Систематизации информации по магнитным системам из ВТСП (особенно на русском языке) явно не хватает. В составленном на основе материалов [1] обзоре рассмотрен ряд проектов по созданию ВТСП соленоидов с высоким магнитным полем для различных физических, химических и биологических исследований, в том числе для ЯМР спектрометрии.
Использование ВТСП материалов в магнитных системах, работающих при температуре от 20 К до 4,2 К, дает целый ряд существенных преимуществ по сравнению с традиционными низкотемпературными сверхпроводниками:
- Возможность работы в магнитных полях выше 23,5 Тл, что недоступно для НТСП проводников;
- Плотность тока в обмотке более чем 300 А/мм2 (в особенности для новых лент на основе RеBCO);
- Возможность охлаждения от криокулера без использования жидкого гелия;
- Большой запас по температуре, позволяющий обмотке выдерживать тепловые возмущения без перехода в нормальное состояние (высокая тепловая стабильность).
Однако, создание обмоток из ВТСП связано с целым рядом сложностей. При вводе тока в соленоид в ВТСП проводниках возникают экранирующие токи, искажающие распределение магнитного поля и приводящие к его временной нестабильности. Вызванные пондеромоторными силами или имеющие термомеханическую природу механические напряжения приводят к деградации критического тока ВТСП проводника. Существуют проблемы в создании эффективной системы защиты ВТСП обмоток при переходе в нормальное состояние. Рассмотрим каждую из проблем более подробно.
Влияние экранирующих токов в ВТСП проводнике на распределение магнитного поля и его временную стабильность
При вводе тока в обмотку, изготовленную из ленточного проводника, радиальная компонента магнитного поля проникает в ленту перпендикулярно ее широкой стороне. Экранирующий ток индуцируется либо в сплошном сверхпроводящем слое (в случае RеBCO лент), либо ступенчато перетекает от волокна к волокну (в случае Bi2223 проводников) (см. Рис. 1). В результате поле в центре соленоида Be ослабляется на величину Bs.
При циклическом вводе/выводе тока в соленоид на кривой Be(I) наблюдается гистерезис, который объясняется в рамках модели Бина (см. Рис. 2). При первом вводе тока магнитный поток начинает проникать в ВТСП ленту с обоих торцов. По мере заполнения сечения экранирующим током, величина Bs растет, а после полного проникновения происходит насыщение. При выводе тока магнитный поток обратного знака постепенно проникает в сечение проводника с торцов, пока экранирующий ток во всем сечении ленты не сменит направление на противоположное. В результате, даже при нулевом транспортном токе ВТСП проводник в обмотке оказывается в намагниченном состоянии.
Рис. 1. Эффект частичной экранировки магнитного поля при вводе тока в ВТСП соленоиды
Рис. 2. Гистерезис магнитного поля при вводе/выводе тока в ВТСП соленоид.
Эффект снижения магнитного поля ВТСП соленоида из-за экранирующих токов может достигать несколько десятков процентов. Чем ниже рабочее поле магнитной системы, тем больше влияние экранирующих токов. В высокополевых обмотках за счет насыщения Bs экранирующие токи играют меньшую роль.
Важно отметить, что для обмоток из ReBCO влияние экранирующих токов в пять раз сильнее, чем для обмоток из Bi2223 лент, так как в первом случае экранирующий ток беспрепятственно индуцируется в сплошном сверхпроводящем слое, а во втором случае течет по сложной траектории, пересекая матрицу из нормального металла.
На Рис. 3 приведены расчетные и полученные экспериментально распределения радиальной компоненты магнитного поля вдоль оси ВТСП соленоида, изготовленного в NHMFL (США) [2]. Измерения производились подвижными датчиками Холла, перемещающимися на различном расстоянии от оси соленоида. Разница между экспериментальными и расчетными значениями обусловлена влиянием экранирующих токов.
Рис. 3. Влияние экранирующих токов на радиальную компоненту магнитного поля соленоида.
За счет крипа магнитного потока поле ВТСП соленоида становится нестабильным во времени. Временная зависимость магнитного поля - логарифмическая, направление дрейфа магнитной индукции зависит от положения на петле гистерезиса, оно может быть как положительным, так и отрицательным.
Чтобы предотвратить крип магнитного потока, ток в ВТСП обмотке увеличивают на 1-5 % выше рабочего значения. Затем ток снижают, при этом на ребрах ВТСП лент формируется тонкий слой с отрицательным магнитным потоком, который является барьером для вихрей (см. Рис. 4). Данный метод заимствован у низкотемпературных обмоток томографов и ЯМР спектрометров, однако требуемая перегрузка по току там не превышает 0,1 % от рабочего значения.
Рис. 4. Коррекция тока для предотвращения дрейфа магнитного поля в ВТСП соленоиде.
Временной крип магнитного потока можно подавлять также за счет снижения рабочей температуры. Для низкотемпературных обмоток достаточно снижения температуры на 1 К, ВТСП обмотки требуют снижения температуры на величину порядка 10 К, что не всегда приемлемо.
Устранить остаточную намагниченность ВТСП обмотки можно путем «раскачки» транспортного тока вблизи рабочего значения с постепенно уменьшающейся амплитудой.
Механические напряжения в ВТСП обмотках
Для сверхпроводящих магнитных систем из низкотемпературных сверхпроводников механические возмущения в обмотке являются основной причиной преждевременного перехода в нормальное состояние. Для магнитных систем из ВТСП проводника механические возмущения обычно не приводят к переходу в нормальное состояние благодаря большому запасу по температуре и лучшей стабильности. Однако механические напряжения, возникающие в ВТСП обмотке, часто приводят к деградации критических свойств проводника.
ВТСП проводники 1-го поколения на основе Bi2223 достаточно изотропны в плане механических свойств. За счет легирования серебряной матрицы и дополнительного плакирования нержавеющей сталью или упрочненными медными сплавами за последние несколько лет величина допустимого осевого растягивающего напряжения в ВТСП проводниках 1-го поколения возросла с 150 МПа до 270 МПа [3], что сопоставимо с механическими свойствам Nb3Sn проводов.
ВТСП проводники 2-го поколения сильно анизотропны по механическим свойствам. С одной стороны, они способны выдерживать осевые растягивающие напряжения более 700 МПа (только для IBAD проводников, для ВТСП лент типа RABITS - не более 400 МПа). С другой стороны, слоистая внутренняя структура в сочетании с крайне слабой адгезией между слоями приводит к тому, что наличие поперечных растягивающих напряжений на уровне 10-30 МПа оказывается достаточным для начала расслоения проводника и сильной деградации его токонесущей способности. На Рис. 5 приведены типичные значения механических напряжений, приводящих к деградации IBAD ВТСП проводника [4] на хастеллоевой подложке с медным стабилизирующим слоем толщиной 20-25 мкм.
Особенно опасны поперечные растягивающие напряжения на торцах проводника - для начала разрушения ВТСП слоя достаточно всего 1 МПа. К сожалению, при охлаждении ВТСП обмотки, пропитанной эпоксидной смолой, из-за разницы в коэффициентах теплового расширения материала каркаса, эпоксидного компаунда и ВТСП проводника, в нем возникают поперечные механические напряжения в десятки МПа [5], а торцы ВТСП лент выступают в качестве концентраторов напряжений (см. Рис. 6). Еще более сильным термомеханическим напряжениям ВТСП обмотка может подвергаться при переходе в нормальное состояние.
Рис. 5. Предельные механические напряжения для ВТСП проводника 2-го поколения.
Рис. 6. Термомеханические напряжения при охлаждении ВТСП обмотки [5].
На Рис. 7 приведены вольтамперные характеристики обмоток из ВТСП 2-го поколения с эпоксидной пропиткой, парафиновым заполнителем и без пропитки [6]. Обмотка с эпоксидной пропиткой демонстрирует сильную деградацию критических свойств. Использование парафинового заполнителя не влечет к деградации токонесущей способности, однако, парафин лишь заполняет пустоты в обмотке, не обеспечивая механической связи витков друг с другом.
Следует отметить, что предельные величины механических напряжений для RABITS ВТСП лент будут сильно отличаться от изображенных на Рис. 4, так как проводники этого типа обычно имеют дополнительное нержавеющее или медное плакирование, что повышает их стойкость к расслоению. Однако ВТСП ленты типа RABITS менее стойки к изгибу, что ограничивает их применимость в обмотках.
Рис. 7. Вольт-амперные характеристики ВТСП обмоток, намотанных с эпоксидной пропиткой, парафиновым заполнителем и без пропитки.
Существенного улучшения адгезии между слоями ВТСП проводника 2-го поколения вряд ли удастся достичь без кардинальных изменений в технологии производства, поэтому в обозримом будущем останется актуальной и проблема расслоения ВТСП лент.
В настоящее время усилия исследователей направлены не столько на увеличение стойкости ВТСП лент к расслоению, сколько на снижение механических напряжений в обмотке до безопасных величин. Предлагается использовать компаунды с таким же коэффициентом теплового расширения, как и у ВТСП проводника, либо устранять концентраторы механических напряжений в обмотке при помощи частичной проклейки или механически развязывающей изоляции.
Наибольшего успеха в подборе коэффициента теплового расширения компаунда достигли немецкие исследователи из KIT, работающие с эпоксидными смолами марки Araldite и наполнителями на основе Al2O3 [7]. Продемонстрировано отсутствие деградации критического тока при многократном термоциклировании обмотки (см. Рис. 8). Следует отметить, что компаундированные обмотки не имели электрической изоляции.
Рис. 8. ВТСП обмотка, компаундированная эпоксидной смолой с заполнителем из Al2O3, и ее вольтамперные характеристики в процессе термоциклирования.
Специалисты из Брукхевенской лаборатории предлагают бороться с концентраторами термомеханических напряжений путем дозированного нанесения тонкого клеевого слоя на торцы ВТСП ленты, что позволяет обеспечить механическую связь витков друг с другом при их относительно свободном закреплении [8]. В качестве «электрической изоляции» обмотки используются ленты из нержавеющей стали. По данной технологии уже изготовлено большое количество ВТСП галет, в большинстве случаев деградация критического тока в них не наблюдалась.
Основная идея механически развязывающей изоляции заключается в том, что ВТСП проводник помещается в оболочку, внутри которой у него остается свобода перемещения. При эпоксидном компаундировании такой обмотки концентраторы механических напряжений не возникают. В качестве материала оболочки исследователи из NHMFL (США) использовали термоусадочную трубку из полиэстера с толщиной стенки 20 мкм [2] (см. Рис. 9). Специалисты научного центра RIKEN (Япония) разработали технологию электрохимического нанесения на ВТСП проводник оболочки из полиимида [9], адгезия оболочки с поверхностью ВТСП проводника практически отсутствует, минимальная толщина полиимидного покрытия достигает 4 мкм (см. Рис. 10).
Рис. 9. Шлиф обмотки из ВТСП проводника, изолированного полиэстеровой термоусадочной трубкой (NHMFL, США).
Рис. 10. Микрофотографии обмотки из ВТСП проводника с полиимидной изоляцией толщиной 4 и 20 мкм (RIKEN, Япония).
Стабильность ВТСП обмоток и их защита
Процесс перехода в нормальное состояние у ВТСП обмоток сильно отличается от такового для низкотемпературных магнитных систем. Переход в нормальное состояние обычно вызван скачкообразным ростом температуры, возникающим за счет генерации тепла в «горячем пятне» (которое образуется в наиболее нагруженной по тепловым условиям и магнитному полю области обмотки), а не последовательным распространением локальной нормальной зоны, возникшей вследствие малого теплового возмущения, как в низкотемпературных обмотках.
Привычная величина критического тока короткого образца jc (определяемая по заданному уровню напряжения, обычно 1 мкВ/см) для ВТСП обмотке заменяется термином «ток теплового срыва» - jq [10,11]. Значение величины jq/jc зависит от параметра размытости вольт-амперной характеристики n, полевой зависимости критического тока jc(B), габаритов и тепловых свойств обмотки (теплопроводности и условия охлаждения поверхности). В зависимости от данных условий величина отношения
jq /jc в ВТСП обмотке может быть как больше, так и меньше единицы. Так как проводники на основе
Bi-2223 при температуре жидкого азота обладают высокой теплопроводностью и низким значениям параметра n, ток теплового срыва может в 1,5-2 раза превышать значение критического тока короткого образца [12]. Для ReBCO проводников отношение jq /jc составляет 1,1 - 1,2. По причине значительного увеличения критического тока и изменения условий охлаждения при работе в жидком гелии (или температурах 10-20 К) отношение jq /jc для ВТСП проводника всегда меньше единицы [13].
Часто в публикациях можно увидеть, что критический ток ВТСП обмотки вычисляется из вольтамперной характеристики, как отношение потенциала на ней к полной длине проводника, к которому применяется привычный критерий 1 мкВ/см. Это не совсем корректно, так как непосредственно перед тепловым срывом возникает локальное падение напряжения (на нескольких витках ВТСП проводника), в этой области критерий E0 = 1 мкВ/см превышается в десятки раз, в то время как основная масса обмотки продолжает оставаться в сверхпроводящем состоянии. Горячее пятно локализуется в наиболее нагруженной по величине магнитного поля и тепловым условиям области.
Ситуация усугубляется тем, что по причинам технологического характера в ВТСП проводниках 2-го поколения встречаются короткие участки с пониженным на 10-20% значением критического тока. На Рис. 11 приведены результаты, проведенных в NHMFL измерений критического тока вдоль длины ВТСП проводника [2], на графике наблюдается несколько точечных участков (обозначены стрелочками) со значительным падением критического тока. Производители сверхпроводника обычно ограничиваются более дискретными измерениями (ступенчатая линия на графике) не способными выявить наличия подобных дефектов. В изготовленной в NHMFL ВТСП катушке один из дефектов проводника пришелся на наиболее нагруженную область (5-11 слои в обмотке из 31 слоя) где и происходил переход в нормальное состояние.
Рис. 11. Однородность критического тока по длине ВТСП ленты (SuperPower).
ВТСП обмотку, работающую при температуре 10-20 К, еще удается защитить традиционными для сверхпроводящих магнитных систем способами (дополнительная стабилизация проводника, секционирование и шунтирование обмотки).
При создании ВТСП обмоток, работающих в жидком гелии при температуре 4,2 К, сразу же возникает проблема их защиты при переходе в нормальное состояние. Из-за крайне высокой плотности тока в ВТСП проводнике плотность, генерируемой в горячем пятне мощности, достигает огромных значений, и за времена порядка сотен миллисекунд происходит разрушение сверхпроводника (см. Рис. 12). При условии своевременного обнаружения перехода в нормальное состояние небольшие ВТСП катушки (запасенная энергия в десятки килоджоулей) еще можно успеть разрядить на внешнее сопротивление быстрее, чем проводник нагреется до опасной температуры. Для более крупных ВТСП обмоток защита путем быстрого разряда уже невозможна по причине электрических перенапряжений.
Рис. 12. Рост температуры при тепловом срыве сверхпроводимости в ВТСП обмотке.
Одним из возможных решений может стать улучшение теплопроводности обмотки, которая сильно зависит от материала электрической изоляции ВТСП проводника и способа ее нанесения. Высокая теплопроводность позволит передать тепло с горячего пятна на соседние витки и увеличить время до перегорания ВТСП проводника.
Для изоляции ВТСП проводника обычно используется обертывание полиимидной лентой толщиной 25 мкм. Поперечная температуропроводность ВТСП обмотки пропорциональна квадрату толщины изоляции. Снижение толщины полиимидной изоляции до 9 мкм (например, электрохимическое покрытие, RIKEN) при одинаковой технологии намотки, обеспечивающей равные значения теплового контактного сопротивления между витками, увеличит эффективную поперечную теплопроводность практически на порядок.
Еще больший выигрыш может быть достигнут от использования электрической изоляции на основе Al2O3, за счет его высокой теплопроводности и малой толщины изоляционного слоя (2-5 мкм) поперечную теплопроводность ВТСП обмотки можно поднять на два порядка. Также возможна защита ВТСП обмотки при помощи индуктивно связанных с ней кольцевых медных экранов [14]. Специалистам из Брукхевенской лаборатории (США) за счет размещения между ВТСП галетами медных дисков удалось добиться снижения тока в обмотке на 25% за несколько миллисекунд (см. Рис. 13).
Рис. 13. Временные зависимости тока и магнитного поля при разряде ВТСП обмотки с медными экранами.
В Брукхевенской лаборатории также ведутся работы по созданию ВТСП сверхпроводящего ключа [15], представляющего собой не стабилизированный ВТСП проводник второго поколения, переход которого в нормальное состояние осуществляется при помощи высокочастотного (около 200 кГц) магнитного поля, создаваемого возмущающей катушкой (см. Рис. 14). Время срабатывания ключа составляет менее 5 мс, что позволяет использовать его для защиты ВТСП обмоток.
Рис. 14. Сверхпроводящий ключ из ВТСП ленты.
Наиболее перспективным способом защиты ВТСП катушек представляется переход к обмоткам с резистивно связанными витками. В отличие от описанных выше решений, данный метод может быть использован при созданий крупных магнитных систем. За счет резистивной связи между витками при переходе в нормальное состояние ток перетекает в соседние витки, и катушка «самозащищается» от теплового повреждения. Обмотки с резистивно связанными витками отличаются крайне высокой плотностью тока, однако существуют серьезные ограничения по скорости ввода тока. Следует обратить внимание, что работы по созданию НТСП обмоток с резистивно связанными витками велись в Курчатовском институте еще в прошлом веке.
На Рис. 15 показаны типичные результаты опыта с небольшой ReBCO катушкой без межвитковой изоляции, проведенного командой профессора Ивасы (MIT, США) [16].
Рис. 15. Временные зависимости тока, магнитного поля и напряжения на обмотке с резистивно связанными витками.
На участке 0-А ток и поле в центре линейно нарастают, А-В – в обмотке нарастает напряжение, и магнитное поле постепенно насыщается, затем ток из нагруженных витков перераспределяется в соседние витки.
Более подробное описание конструкции обмоток с резистивно связанными витками и технологии их изготовления будет представлено во второй части обзора. Также в следующей части мы рассмотрим несколько проектов по созданию ВТСП магнитных систем, в том числе и для магниторезонансной томографии.
1. Hideaki Maeda and Yoshinori Yanagisawa, Recent Developments in High-Temperature Superconducting Magnet Technology (Review), IEEE Transactions On Applied Superconductivity, Vol. 24, Nо 3, June 2014.
2. U. Trociewitz, M. Dalban-Canassy, D. Hilton et. al, Implementation Issues of REBCO Coated Conductor in High Field Magnets, CCA 2012 November 14-16, Heidelberg, Germany
3. T. Kagiyama et all., Recent progress in high performance Ag sheathed Bi2223 wire (DiBSCCO)., IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng., vol. 18, no.15, pp. 152001-1-152001-6, oct. 2011
4. Y. Yanagisawa et all., Remarkable weakness against cleavage stress for YBCO-coated conductors and its effect on the YBCO coil performance., Phys.C., Supercond., vol.471, no 15/16, pp. 480-485, Aug. 2011.
5. Y. Yanagisawa et all., Removal of degradation of the performance of an epoxy impregnated YBCO-coated conductor double pancake coil by using a polyimide electrodeposited YBCO coated conductor., Phys.C., Supercond., vol.476, pp. 19-22 , June 2012.
6. T. Takematsu et all., Degradation of the performance of a YBCO coated conductor double pancake coil due to epoxy impregnation. Phys.C., Supercond., vol.470, no 17/18, pp. 674-677, Sep. 2010.
7. C Barth et all., Degradation free epoxy impregnation of REBCO coils and cables, Supercond. Sci. and Tecnol., vol.26, no.5, p. 05500, May 2013.
8. H. Song, P. Brownsey, T. Fukushima and D.W. Hazelton, Winding, Fabrication, Engineering Design,and Other Considerations for 2G HTS Coils, Magnet Technology 2013 (MT-23): July 15 – 19, 2013 Boston, MA
9. Y. Yanagisawa, K. Sato, T. Matsuda et. al, An ultra-thin polyimide insulation coating on REBCO conductors by electrodeposition produces a maximum overall current density for REBCO coils, Physica C 495 (2013) 15–18
10. A. L. Rakhmanov, V. S. Vysotsky, Yu. A. Ilyin, T. Kiss, and M. Takeo, Universal scaling low for quench development in HTSC devices., Cryogenics, vol.40, N. 1, pp.19-27, 2000.
11. V. S. Vysotsky, Yu. A. Ilyin, A. L. Rakhmanov and M. Takeo, Quench development analysis in HTSC coils by use of the Universal scaling theory, IEEE Trans. Appl. Supercond., vol.11, N. 11, pp.1824-1827, march 2001.
12. V. Zubko, I. Bogdanov, S. Kozub, P, Shcherbakov, L.Tkachenko., Study of thermal stability and quench process of HTS dipole., Proceedings of EPAC 2004, Lucerne.
13. V.E. Keilin, D.I. Shutova. Model of quench development inside HTS coils including quench-to-critical current ratio evaluation., IEEE Trans. on Appl. Superconductivity, Vol. 23, № 3, june 2013, 4701904, 1051, 4pp.
14. H. Witte, W. Sampson, R. Weggel et. al., Reduction of the Hot Spot Temperature in HTS Coils, IEEE Transactions On Applied Superconductivity, Vol. 24, No. 3, June 2014
15. V. Solovyov and Q. Li, Fast high-temperature superconductor switch for high current applications, Applied Physics Letters 103, 032603 (2013)
16. S. Hahn, D. K. Park, J. Bascnan, and Y. Iwasa, HTS pancake coils without turn-to-turn insulation, IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 21, no. 3, pp. 1592–1595, Jun. 2010.