Выпуски бюллетеня

ТомНомер
13 1
12 1 2 3 4 5 6
11 1 2 3 4 5 6
10 1 2 3 4 5
9 1 2 3 4 5
8 1 2 3 4 5
7 1
6 1 2 3 4
5 1 2 3 4 5 6
4 1 2 3 4 5 6
3 1 2 3 4 5 6
2 1 2 3 4 5
1 1 2
0 0

Тематический указатель

Магнитные системы из ВТСП и проблемы их создания. Часть 2.

2015, Tом 12, выпуск 1
Тематика: ВТСП устройства

 

В первой части обзора были подробно рассмотрены основные проблемы создания ВТСП магнитных систем ( 2014, т.11, № 3).

ВТСП соленоид для мюонного коллайдера, BNL, США

Энергия пучка в ускорителях электронов ограничена потерями на синхротронное излучение. Ускорители протонов не обеспечивают необходимую чистоту эксперимента, так как протон состоит из кварков, и результаты столкновения протонов достаточно сложно анализировать. Задачей ближайших десятилетий может стать создание мюонных коллайдеров – при столкновении мюонов не возникает проблем, связанных с кварк-глюоонным  взаимодействием, а большая масса мюона снимает проблему синхротронного излучения. Чтобы получить мюонный пучок с необходимыми для работы коллайдера характеристиками, находящуюся в сильном магнитном поле (20 Тл и выше) мишень нужно облучить пучком протонов с энергией около 8 ГэВ. Соленоиды со сверхвысокой индукцией в 50 Тл могут быть также использованы для охлаждения мюоонного пучка перед инжекцией в накопительное кольцо, однако, данная задача может быть решена и альтернативным способом в полях на уровне 10 Тл.

В Брукхевенской лаборатории (BNL, CША) уже несколько лет идут работы по созданию высокополевого ВТСП соленоида для перспективного мюонного коллайдера [1]. Работы финансирует министерство энергетики США в рамках программ поддержки малого бизнеса Small business Innovative Research (SBIR) и Muon Accelerator Program (MAP). Мы уже сообщали об этом проекте в 2012 г. – см. бюллетень 2012, Tом 9, выпуск 1.

Первоначальный проект магнитной системы подразумевал две работающие при температуре 4,2 К секции из ВТСП-2 проводника: внутренняя - с полем 12 Тл и внешняя - с полем 10 Тл. На сегодняшний день изготовлена и испытана внутренняя секция, состоящая из 14 галет, намотанных из ВТСП ленты производства SuperPower шириной 4 мм. Внутренний диаметр ВТСП обмотки составлял 25 мм. В качестве межвитковой «изоляции» была использована нержавеющая лента. Результаты испытаний (Рис. 1) превзошли первоначальные ожидания: при транспортном токе в 285 А (средняя плотность тока в обмотке более 500 А/мм2) было достигнуто магнитное поле в центре соленоида в 15,8 Тл (16,2 Тл на обмотке) вместо расчетных 12 Тл, что стало мировым рекордом для чисто ВТСП-2 соленоидов.

Рис. 1. Результаты испытаний при различных температурах внутренней (вверху) и внешней (внизу) ВТСП секций соленоида для мюоонного коллайдера.

Внешняя ВТСП секция выполнена в виде 24 галет (расход ВТСП проводника около 100 м на одну галету) с внутренним диаметром 100 мм. На Рис. 2 показаны результаты испытаний в жидком гелии половинной сборки из 12 галет, в ходе испытаний успешно достигнут ток в 250 А (при расчетном токе в 220 А). Максимально достигнутые поля: 6,4 Тл в центре, 9,2 Тл на обмотке. Качество каждой ВТСП галеты многократно проверялось, потенциальные концы крепились, в среднем, через каждые 25 витков. Многие пострадавшие в ходе экспериментов галеты восстанавливались путем замены дефектных участков и возвращались в сборку.

В BNL накоплен большой опыт по намотке ВТСП катушек всевозможных форм: рейстреки, галеты, седла [2]. Всего израсходовано более 40 км ВТСП проводника 2-го поколения. При создании ВТСП обмоток в BNL руководствуются следующими соображениями:

Рис. 2. Введение в ВТСП обмотку медных дисков ускоряет спад тока при переходе в нормальное состояние.

Сверхпроводниковые и магнитные системы для ЯМР спектрометров, RIKEN, Япония

Над созданием ВТСП ЯМР спектрометра с полем 24 Тл работало сразу несколько японских организаций: Национальный институт материаловедения, компания «Японский сверхпроводник», Институт физико-химических исследований RIKEN и Университет г. Чиба. Японские ученые добились впечатляющих результатов. Суммарное поле в 24 Тл при температуре 4,2 К, достигнутое в рабочем отверстии диаметром 50 мм стало мировым рекордом для чисто сверхпроводникового магнита на конец 2012 г [3] (см. Рис. 3). Кстати, предыдущая рекордная чисто сверхпроводниковая магнитная система на 23,5 Тл (ВТСП+НТСП) работала при температуре 2,2 К. 

Рис. 3. ВТСП обмотка для ЯМР спектрометра  с полем 24 Тл.

 

В ходе испытаний ВТСП обмотка создавала магнитное поле 6,8 Тл при рабочем токе 321 А во внешнем поле NbTi+Nb3Sn соленоида с индукцией 17,2 Тл (см. Рис. 4). ВТСП обмотка работала при механических напряжениях до 408 МПа (в НТСП соленоидах механические напряжения обычно не превышает 200 МПа).Для изготовления ВТСП обмотки использован

ReBCO проводник производства Fujikura. Сечение ВТСП ленты - 5,1x0,25 мм, толщина хастеллоевой подложки - 100 мкм, толщина медного стабилизатора - 75 мкм. ВТСП проводник был электрохимическим способом покрыт полииимидной изоляцией. ВТСП обмотка изготовлена по технологии слоевой намотки, проводник наматывался ВТСП слоем вниз. Для улучшения механических свойств обмотка была пропитана воском. Индуктивность ВТСП обмотки составила 0,154 Гн. Без внешнего магнитного поля в ВТСП обмотку при температуре 4,2 К был заведен максимальный ток в 399 А, поле в центре соленоида составило 8,0 Тл, вместо расчетных 8,4 Тл. 

 

Рис .4. Временные зависимости тока и напряжения на обмотке в ходе испытаний ВТСП секции.

Рис. 5. При вводе/выводе тока ВТСП проводник намагничивается под действием экранирующих токов.

Недобор магнитного поля связан с наличием экранирующих токов в ReBCO слое. По той же причине, после вывода тока катушка оставалась намагниченной до ~ 0,7 Тл (см. Рис. 5).

Перед тем как приступить к разработке магнитных систем на основе ВТСП проводников 2-го поколения в RIKEN был накоплен богатый опыт создания высокополевых соленоидов из ВТСП лент 1-го поколения. Специалисты RIKEN провели модернизацию чисто магнитной системы ЯМР спектрометра лаборатории Института Цукубы: замена ниобий-оловянной секции на секцию из ВТСП 1-го поколения позволило перейти с 930 МГц на 1,01 ГГц [4]. Все секции магнитной системы ЯМР спектрометра были соединены последовательно и питались одним током. ВТСП секция изготовлена по технологии слоевой намотки, намотка производилась пакетом из Bi2223 ленты производства Sumitomo, размещенной между двумя бронзовыми лентами. Внутренний диаметр ВТСП секции был выбран так, чтобы сохранить величину теплого отверстия спектрометра, равного 54 мм. Длина ВТСП секции увеличена по сравнению с ниобий-оловянной с 600 мм до 800 мм, чтобы обеспечить нужную однородность магнитного поля. В ВТСП обмотке присутствует 5 спаев. Максимальные механические напряжения  достигают 222 МПа. Обмотки магнитной системы ЯМР спектрометра охлаждаются сверхтекучим гелием с температурой 1,8 К, суммарное магнитное поле достигает 24,2 Тл при рабочем токе в 244 А, вклад ВТСП секции составляет 3,6 Тл (см. Рис. 6).

Рис. 6. Сравнение полевых зависимостей критического тока Bi2223 проводников Sumitomo и тока перехода в нормальное состояние ВТСП обмотки.

Еще одно направление исследований RIKEN: изучение поведения ВТСП обмоток с резистивно связанными витками. Предложена весьма интересная модель перераспределения токов в ReBCO обмотке без изоляции [5]. Несмотря на достаточно грубые упрощения, с ее помощью очень наглядно проиллюстрировано тепловое и электрическое поведение галетных обмоток без изоляции. Каждый виток обладает собственной индуктивностью и сопротивлением подложки/стабилизатора. Соседние витки соприкасаются друг с другом через контактное сопротивление (оценено как 20 мкОм·м2). Для простоты использована модель критического состояния: до теплового срыва весь ток течет в кольцевом направлении по сверхпроводнику без потерь, после срыва ток протекает целиком по нормальному металлу, частично в кольцевом, частично в радиальном направлении.

Решая совместно систему уравнений, описывающих тепловые и электрические процессы в обмотке, авторы проиллюстрировали ряд интересных закономерностей и сравнили предсказания своей модели с результатами экспериментов на малой галетной обмотке. При определенном транспортном токе резко возникает напряжение между выводами галеты, а магнитное поле, резко спадает. Авторы называют этот процесс переходом к режиму «одного витка». Отсутствие пика напряжения и мгновенный спад поля на расчетных кривых объясняется использованием модели критического состояния без учета реальной вольтамперной характеристики ВТСП ленты.

Распределение составляющих тока в галете показано белыми стрелками. По мере роста тока составляющая кольцевого тока падает в 30 раз (конкретно для этого эксперимента - с 312 А/мм2 до 10 А/мм2). Ток протекает по пути от одного вывода к другому, выбирая путь с наименьшим сопротивлением, при этом джоулево тепловыделение в основном объеме галеты радикально снижается, и она «самозащищена» от перегрева. В то же время с ростом рабочего тока эффективное сечение токоподвода становится недостаточным, участок между выводами обмотки опасно разогревается, и сверхпроводник перегорает (см. Рис. 7). На фотографии ВТСП галеты видно, что она поменяла цвет в области очень похожей на горячую область, предсказанную расчетом (см. Рис. 8).

В качестве решения авторы предлагают усиливать стабилизацию проводника, особенно на внутреннем и внешнем витках галетной обмотки. 

Рис. 7. Расчет разогрева ВТСП галеты с резистивно связанными витками для различных значений транспортного тока.

Рис. 8. Характер повреждения модельной ВТСП галеты соответствует расчетной модели.

Сверхпроводниковая магнитная система с

индукцией 32 Тл, NHMFL, США

В лаборатории NHMFL, уже несколько лет разрабатывается сверхпроводниковая магнитная система с индукцией 32 Тл (17 Тл создается ВТСП-2 обмотками), мы уже сообщали об этой работе в нашем бюллетене 2009, Tом 6, выпуск 4 и 2012, Tом 9, выпуск 5.

Необходимо отметить, что данная разработка является частью амбициозной программы по созданию в США сразу нескольких центров коллективного использования с высокополевыми магнитными системами. Планируется изготовление сразу нескольких магнитных систем с полем 32 Тл в канале диаметром 32 мм, также предполагается создать не менее двух ЯМР спектрометров на 1,2 ГГц, уникальную чисто сверхпроводниковую магнитную систему с полем 45 Тл, одну или две установки для

нейтронных и рентгеновских исследований в полях до 25 Тл.

Магнитная система с индукцией 32 Тл состоит из двух ВТСП-2 секций, размещенных внутри NbTi+Nb3Sn соленоида, изготовленного Oxford Instruments (UK). ВТСП секции создают поле в 17 Тл, на НТСП часть приходится еще 15 Тл [6] (см. Рис. 9). К сверхпроводниковой магнитной системе предъявляются высокие требования по надежности - установка должна функционировать в составе центра коллективного использования в течение 20 лет, подвергаясь многочисленным термоциклам и вводам/выводам тока. 

Рис. 9. Сверхпроводниковая магнитная система с индукцией 32 Тл.

В магнитной системе используется ВТСП лента производства SuperPower шириной 4 мм с увеличенной до 60 мкм толщиной медного стабилизатора (толщина подложки 50 мкм). ВТСП секции изготовляются по технологии галетной намотки, в качестве электрической изоляции используется нержавеющая фольга с покрытием из Al2O3, данное решение также позволяет улучшить механические свойства обмоток. Инженерная плотность тока в ВТСП секциях достигнет 197 А/мм2, максимальные механические напряжения в обмотках составят 450 МПа. Для изготовления магнитной системы потребуется около 10 км ВТСП проводника. В конструкцию ВТСП секций заложен 30% запас по токонесущей способности проводника.

Необходимо отметить, что к ВТСП проводникам, работающим в сильных магнитных полях, выдвигаются весьма специфические требования. Специалисты NHMFL провели громадную работу по исследованию свойств ВТСП лент различных производителей (AMSC, Fujikura, SuperOx, SuperPower, SUNAM). Было показано, что, несмотря на близкие значения критических токов при 77 К в собственном поле, токонесущая способность в магнитных полях до 13 Тл при 4,2 К может отличаться в несколько раз. Более того, наблюдался значительный разброс свойств от партии к партии даже у одного производителя. В результате, критерием отбора ВТСП проводника стала полевая зависимость его критического тока, измеренная при 4,2 К в магнитном поле до 13,5 Тл, направленном под углом 180 к плоскости проводника (наихудший по анизотропии случай для разрабатываемой магнитной системы). Еще одним важным для работающего в жидком гелии ВТСП проводника параметром является величина RRR стабилизирующего слоя, чем она выше, тем лучше теплопроводность обмотки и эффективней система защиты, основанная на нагревателях.

Летом 2014 года появилось сообщение [7] об испытаниях прототипа внутренней ВТСП секции с полномасштабными радиальными размерами (внутренний радиус 40 мм, внешний - 140 мм), но с половинной высотой. Испытания проводились в жидком гелии во внешнем поле 15 Тл, создаваемом биттеровским магнитом.

Опытная секция состоит из шести модулей в виде двойных галет с общей длиной ВТСП проводника ~ 900 м (см. Рис. 10). Одиночные галеты в модуле изолированы друг от друга тонкой вставкой из стеклопластика. Между модулями размещаются плоские нагреватели для активной защиты. Одиночные галеты наматываются без пропитки пакетом из ВТСП и нержавеющей ленты, электрически изолированной слоем Al2O3 толщиной 2-3 мкм. Сопротивление спаев между одиночными галетами в модуле достигает 10-60 нОм.

Рис. 10. Опытная ВТСП секция из шести двойных галет (слева), схема размещения защитных нагревателей (справа).

Рис. 11. Переход ВТСП обмотки в нормальное состояние под действием теплового импульса от нагревателей.

Чтобы улучшить тепловой контакт с нагревателями и обеспечить хорошую теплопроводность обмотки, торцы модулей были залиты клеем и выравнены до отклонения от плоскости менее 0,1 мм. Перед окончательной сборкой двойные галеты были предварительно опрессованы в радиальном и осевом направлениях с усилиями в 20 кН и 10 кН, соответственно. Преследовались две цели - предохранить витки от подвижек под влиянием пондеромоторных сил и одновременно повысить теплопроводность.

В ходе испытаний при 4,2 К удалось добиться индукции 22,8 Тл (7,7 Тл ВТСП, 15,1 Тл внешнее поле). Однако, был обнаружен рост потенциала на нижнем токоподводе, что ограничило критический ток прототипа ВТСП секции до 252 А в собственном поле и до 212 А во внешнем поле 15 Тл, тогда как рабочий ток ВТСП секции должен составлять более 300 А. Механические напряжения в обмотке достигали 281 МПа вместо запланированных 360 МПа. Коэффициент поле/ток был близок к расчетному значению и составлял 36,3 мТл/А. Наблюдалось снижение поля в центре на несколько процентов за счет возникновения экранирующих токов в ВТСП слое. Повторно наблюдалась картина диамагнитного захвата гелиевых пузырьков и формирования «пузырьковой шубы» в местах, где произведение магнитной индукции на ее градиент превышало 2100 Тл2/м. Однако, благодаря улучшению поперечной теплопроводности секции удалось предотвратить перегрев опасных точек обмотки.

Прототип ВТСП секции был 45 раз искусственно переведен в нормальное состояние путем подачи тока в один или сразу несколько нагревателей (см. Рис. 11), после переходов обмотка не деградировала.

В заключении нельзя не упомянуть проект ВТСП соленоида с индукцией 100 Тл (!), недавно предложенный проф. Ивасой из Массачусетского технологического института (MIT, США) [8]. Для достижения такого магнитного поля потребуется обеспечить следующие параметры соленоида: длина - почти 17 м, внешний диаметр - чуть менее 6 м, запасенная энергия - более 120 ГДж, расход ВТСП проводника - 12000 км. Параметры рассчитаны исходя из свойств, существующих на сегодняшний день ВТСП лент 2-го поколения. Конечно, такие объемы пока неосуществимы, но авторы проекта хотели показать, что даже при сегодняшних технологиях такая мега-установка возможна и уже не относится к научной фантастике. Хотя, для ее реализация потребует концентрации усилий всех мировых центров сверхпроводимости, как уже было при реализации проектов БАК или ИТЕР.

 

1. R. Gupta, M. Anerella, A. Ghosh, P. Joshi, H. Kirk, S. L. Lalitha, R. Palmer, W. Sampson, P. Wanderer, H. Witte, Y. Shiroyanagi, D. Cline, A. Garren, J. Kolonko, R. Scanlan, . R. Weggel. High Field HTS Solenoid for a Muon Collider—Demonstrations, Challenges, and Strategies // IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 24, NO. 3, JUNE 2014 4301705.

2. S. L. Lalitha, Member, IEEE, W. B. Sampson, and R. C. Gupta. Test Results of High Performance HTS Pancake Coils at 77 K // IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 24, NO. 3, JUNE 2014 4601305.

3. S Matsumoto, T Kiyoshi, A Otsuka, M Hamada, H Maeda, Y Yanagisawa, H Nakagome and H Suematsu. Generation of 24 T at 4.2 K using a layer-wound GdBCO insert coil with Nb3Sn and Nb–Ti external magnetic field coils // Supercond. Sci. Technol. 25 (2012) 025017 (5pp).

4. T.Kiyoshi, S.Choi, S.Matsumoto, K.Zaitsu, T.Hase, T. Miyazaki, Bi-2223 Innermost Coil for 1.03 GHz NMR // IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 21, NO. 3, JUNE 2011.

5. Y. Yanagisawa, K. Sato, K. Yanagisawa, H. Nakagome, X. Jin, M. Takahashi, H. Maeda. Basic mechanism of self-healing from thermal runaway for uninsulated. REBCO pancake coils // Physica C 499 (2014) 40–44.

6. W.D. Markiewicz, D. C. Larbalestier, H.W. Weijers, A. J. Voran, K. W. Pickard, W. R. Sheppard, J. Jaroszynski, A. Xu, R.P. Walsh, J. Lu, A.V. Gavrilin, P. D. Noyes, Design of a superconducting 32 T magnet with REBCO high field coils // IEEE Trans. Appl. Supercond., vol. 22, no. 3, p. 4300704, Jun. 2012.

7. H. W. Weijers, Member, IEEE, W. D. Markiewicz, A. J. Voran, S. R. Gundlach, W. R. Sheppard, B. Jarvis, Z. L. Johnson, P. D. Noyes, J. Lu, H. Kandel, H. Bai, A. V. Gavrilin, Y. . Viouchkov, D. C. Larbalestier, and D. V. Abraimov Progress in the Development of a Superconducting 32 T Magnet With REBCO High Field Coils // IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, VOL. 24, NO. 3, JUNE 2014 4301805.

8. Iwasa Y and Hahn S 2013 First-cut design of an allsuperconducting 100 T direct current magnet //Appl. Phys. Lett. 103 253507.

 

Д.И. Шутова

Главная | Новости | Бюллетень | Конференции | Поиск публикаций в базе данных | Новое в базе данных
Российские организации | Энциклопедия | Цели сайта | Контакты | Полезные ссылки | Карта сайта | Помощь

© Copyright 2006-2012. Использование материалов сайта возможно только с обязательной ссылкой на сайт.
Свои замечания и пожелания вы можете направлять по адресу perst@isssph.kiae.ru
Техническая поддержка Alexey, дизайн Teodor.