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

ASC-2012: ВТСП магнитные системы

2012, Tом 9, выпуск 5
Тематика: Вести с конференций

Первое пленарное заседание открыло конференцию докладом об ограниченности запасов гелия [1]. Общий мировой запас гелия оценивается в 8 млн. тонн (главным образом США, Катар, Алжир, и Россия). США – главный поставщик - добывает порядка 30 тонн в год. Примерно четверть мирового потребления гелия приходится на низкотемпературные применения. Львиная доля -  ЯМР/МРТ. Спрос на гелий постоянно растет. Но в сегодняшней ситуации газодобывающие компании не достаточно рачительно относятся к отделению гелия, поскольку процесс трудоемкий, а выгода не велика по сравнению прямыми доходами от продажи природного газа. Поэтому заканчивался доклад призывом к криогенному научному сообществу помнить об этих проблемах уже сейчас и, по возможности, искать пути перехода на другие хладагенты.

На основании большого числа докладов, посвященных созданию ВТСП магнитных систем, можно выделить направления наибольшей исследовательской активности:

1. Отработка технологии создания YBCO/ReBCO магнитов (особенно для пониженных температур): повсеместные сложности с импрегнированием эпоксидной смолой, отказ от каптоновой изоляции и поиск иных решений (более тонкие покрытия с лучшей теплопроводностью на основе оксидов титана и алюминия); полный отказ от изоляции и переход к конструкции соленоидов с резистивно связанными витками (На эту тему представлено несколько десятков статей, вместо одной-двух в трудах прошлогодней конференции МТ-22).

2. Защита/стабилизация ВСТП соленоидов - большое число докладов о попытках разными способами поднять теплопроводность плотных обмоток, улучшить теплосъем с плохо стабилизированных 2G лент, нарастить количество стабилизатора на проводнике.

3. Агрегатирование YBCO/ReBCO лент в токонесущие элементы с высокой плотностью тока – различные конструкции ТНЭ из 2G (CORCC, перевитые пачки TSTC, Ребели и т.д.), испытания первых модельных катушек на их основе, многочисленные статьи о полной непригодности конструкции типа Ребель в сильных магнитных полях. Вообще, сложилось ощущение, что рано или поздно в вопросе агрегатирования 2G все должно закончиться неким ВТСП аналогом CICC: полый формер с хладагентом - транспонированный проводник - жесткий кондуит.

4. Возрождение интереса к Bi-2212 для получения высоких полей и кабелям Резерфордовского типа на их основе.

5. Начало производства ВТСП магнитных систем, уже как коммерческого продукта для конечного пользователя.

ВТСП сильно-полевые магниты при

пониженных температурах

Естественно, секция, посвященная ВТСП магнитным системам для создания сильных и сверхсильных полей, вызвала большой интерес. Ее устные и постерные сессии проводились 3 дня подряд. Неизменно поступило много интересных сообщений из Флоридского Университета (Лаборатория сильных магнитных полей) – FSU NHMFL.

Наиболее интересна подборка их докладов о конструкции чисто сверхпроводникового магнита на 32 Тл (о начале этого проекта мы сообщали  в нашем бюллетене 2009, Tом 6, выпуск 4).

Сверхпроводящая сверхпроводниковая магнитная система представляет собой внутренние галетные REBCO вставки (лента SuperPower шириной 4,1 см, общей длиной ~ 10 км) на 17 Тл, вставленные во внешние НТСП секции (NbTi+Nb3Sn), создающие дополнительные 15 Тл. ВТСП и НТСП секции будут запитываться от разных  источников, что в итоге позволит варьировать величину магнитного поля, необходимого пользователю. Все параметры и общий вид показаны на рис. 1.

В качестве межвитковой изоляции используется нержавеющая лента покрытая пленкой Al2O3. Импрегнирование эпоксидной смолой не предполагается. На сегодняшний момент все галеты изготовлены. Сроки испытания отдельных секций в соответствующем внешнем поле (уже проведенные и запланированные) также указаны на рис. 1.

Рис.1. Конструкция чисто сверхпроводящего (YBCO+Nb3Sn+NbTi) магнита FSU NHMFL на 32 Тл.

В рамках проекта 32 Тл магнита было представлено множество докладов. Освящен вопрос потерь в ВТСП секциях [2]. По словам А.В. Гаврилина, представляющего этот доклад, одна из неожиданных проблем, с которой столкнулись в NHMFL – диамагнитное поведение гелиевых пузырьков в областях высоких магнитных полей и их градиентов, при Bz.dB/dz ~ 2100 T2/м происходит рост «газовой шубы» в наиболее неблагоприятных местах и частичная закупорка межвиткового пространства неимпрегнированных ВТСП галет. Как следствие - ухудшение теплоотвода и опасность появления горячих точек.

По многочисленным сообщениям NHMFL видно, что там, также как и в других научных центрах, пытаются решить проблему деградации импрегнированных ВТСП катушек и ищут пути к переходу на новые виды изоляции:

Во-первых [3], упоминается череда неудач при испытаниях промазанных галет во внешних полях

~ 30 Тл (создаваемых резистивными магнитами). Свойства неизбежно деградировали. В сообщении описана технология нанесения новой изоляции путем теплового обжатия трубки из 20 мкм полиэстера вокруг ленты. Испытания галет, изготовленных таким способом, прошли успешно - деградации нет.

Во-вторых – уже упомянутый отказ от изоляции каптоном и переход к прокладкам из нержавеющей фольги, изолированной пленкой. Один из докладов [4] был посвящен измерению теплопроводности нержавеющей стали и ReBCO лент.

В-третьих: отдельный цикл работ по изучению непроклеенных галет во внешних полях до 20 Тл [5]. Обсуждаются вопросы изготовления спаев (а их в 32 Тл магните будет порядка 170) и внешнего усиления.

Главным в докладе H.W. Weijers [6] было обращение специалистов из NHMFL к производителям ВТСП, которое коротко можно сформулировать так: постоянная погоня за увеличением критического тока - это конечно хорошо, но куда важнее гарантировать однородность свойств на уже достигнутом уровне токов и предоставлять подробные спецификации на выпускаемые проводники (не только критический ток при 77 К, но и при 4,2 К, механические свойства, анизотропию в поле, и, главное, - промерять однородность всех параметров на всей длине, а не на отдельно выбранных образцах и предоставлять всю информацию потребителю).

Второе большое направление работ в NHMFL - гибридные (Биттеровские и сверхпроводящие) высокополевые магниты. В частности, ведется разработка магнита на 36 Тл: внутренняя Биттеровская вставка с наружной секцией из ниобий-оловянного кабеля-в-оболочке со стандартным для ЯМР рабочим отверстием в 40 мм и однородностью лучше

1 ppm [7]. Особенность этой конструкции – последовательное соединение резистивных и сверхпроводящих секций. Доклад W. Marshall [8] был посвящен конструкции 20 кА токовводов для этой установки на основе пачек Bi2223/Ag-Au лент производства Sumitomo, шунтированных нержавеющей сталью. Аналогичный подход был использован в токовводах для LHC – см. работы Амалии Балларино и ее коллег из CERN. Кстати, на этой конференции Балларино выступила с докладом об изготовлении и испытаниях витых пар на основе YBCO, Bi-2223 и MgB2 лент, которые могут использоваться в качестве гибких токоподводов с токами до 2х5 кА при 4,2 К [9].

Другой ведущий исследовательский центр в области сверхпроводимости в США - Массачусетский технологический институт (MIT) . Одно из наиболее интересных направлений их работ - ВТСП вставки для ЯМР спектрометров (см. наш бюллетень 2009, Tом 6, выпуск 4).

Сообщение ученых MIT [10] о новостях проекта содержало просто крик души. Работы велись с 2000 г., конечная цель создание 1,3 ГГц НТСП+(YBCO+Bi-2223) магнита для ЯМР спектрометра. Кстати, эти работы ведутся под руководством широко известного профессора Ивасы. Были пройдены стадии испытаний НТСП секции с ВТСП вставкой на 100 МГц (соответствует суммарному полю в 16,5 Тл). К 2011 г. специалисты MIT изготовили 112 двойных галет (Bi-2223 и YBCO) для ВТСП вставки уже на 600 МГц, были готовы к ее испытаниям.

И все было бы хорошо, если бы в декабре 2011 их готовую ВТСП вставку ….. не украли неизвестные злодеи. Вот такие вот новости из США. Но наши американские коллеги не унывают и уже разработали новый проект, который будет лучше прежнего с экономической точки зрения: 700 МГц придется на ВТСП + 600 МГц на низкотемпературной секции.

Рис.2. Старый и новый проекты 1,3 ГГц чисто сверхпроводящего магнита для ЯМР спектрометра MIT.

Изготовление низкотемпературных секций на 600 МГц (запасенная энергия 15 МДж) будет стоить на целых 60 % дешевле, чем запланированные ранее 700 МГц (24МДж), а для ВТСП галет разница в цене между 600/700 МГц вариантами, по словам докладчиков, незначительна.

Межвитковая изоляция в ВТСП вставках MIT не используется. В украденных галетах вставки 600 МГц параллельно с ВТСП моталась медная лента, изолированная с одной стороны. В новых галетах вставки на 700 МГц межвитковой изоляции не будет вообще! Это приведет к радикальному сокращению размеров, росту плотности тока и улучшенной стабильности/защите. На Рис.2 снизу – две галеты из одного и того же провода, на одно и то же поле в центре – одна с изоляцией, другая с резистивно связанными витками. Здесь нельзя не упомянуть тот факт, что идея сверхпроводящей обмотки с резистивно связанными витками была предложена в Курчатовском институте еще 15 лет назад [11]. Хотя эта работа была написана для NbTi все основные закономерности и преимущества обмоток без изоляции были сформулированы уже тогда.

Помимо докладов из США на конференции было представлено большое число работ из разных стран по созданию ВТСП и комбинированных (ВТСП+НТСП) сверхпроводящих магнитных систем:

Китай - Разработано, изготовлено и испытано два лабораторных соленоида для физических исследований с теплыми отверстиями диаметром 52 мм: YBCO(5 Тл)+Bi2223(8 Тл)+НТСП(12 Тл) = 25 Тл в жидком гелии [12], с теплым отверстием 60 мм:  YBCO+NbTi =12 Тл с охлаждением от криокулера [13].

Южная Корея - успешно испытан магнит с холодным отверстием 80 мм: ReBCO(2 Тл)+НТСП(9 Тл) = 11 Тл в жидком гелии [14].

Хотя два последних сверхпроводящих соленоида рассчитаны на вполне достижимые магнитные поля с использованием традиционных низкотемпературных проводников, смысл использования ВТСП в них заключается в отказе от требующего отжига и специальной изолировки ниобий-олова.

Корея/ Япония - магнитная система для ЯМР спектрометра ReBCO(5 Тл)+НТСП(15 Тл) = 20 Тл с охлаждением от криокулера [15] - изготовлена и испытана ВТСП секция.

Франция/Швейцария/Италия (программа EUCARD) – YBCO(6 Тл) вставка в Nb3Sn диполь (15 Тл) = 22 Тл в жидком гелии – пока представлен проект [16]. Возникла новая ниша применения ВТСП - модернизация магнитов для физики высоких энергий.

В заключение темы высокополевых магнитных систем - опять сообщение из NHMFL о достигнутом удвоении токонесущей способности круглых Bi-2212 проводов (je > 620A/мм2 в 20 Тл/4,2 K) [17]. Интерес к проводникам на основе Bi-2212 возобновился. Сочетание огромных значений критического поля Bc2 >100 Тл и потенциальная возможность агрегатирования в кабели резерфордовского типа - подогревает интерес ученых. Однако до сих пор кабели на основе Bi2212 катастрофически деградировали из-за необратимых химических реакций в сверхпроводящих жилах.

На конференции был сделан доклад ученых из Fermi Lab [18] об успешном испытании 9 м кабеля из 6 стрэндов на основе висмута и центрального армирующего провода. Им удалось подобрать материалы и режим высокотемпературного отжига так, что после термообработки критический ток сохранился на 100 % по сравнению с суммой токов отдельных стрэндов. Секрет - в оксидном слое, нанесенном на поверхность стрэндов перед агрегатированием.

Рис. 3. Девяти-метровый кабель резерфордовского типа на основе Bi-2212 (Fermi Lab).

На основании предварительных испытаний авторы доклада сообщают о возможности изготовления кабелей 10 кА класса (4,2К/20Тл)

Проблема деградации импрегнированных

обмоток и стабилизации ВТСП проводника

Ни для кого не секрет острота вопроса защиты и деградации ВТСП. Ему было посвящено большое количество докладов. Исследованы процессы распространения нормальной зоны и перехода в нормальное состояние ВТСП галет - с проклейкой и без, с разным количеством стабилизирующей меди. Предложены различные экспериментальные и расчетные методики.

В докладе J.-M.G. Rey [19] приведен анализ стабильности галеты для трех случаев: только продольное распространение нормальной зоны, только поперечное и в обоих направлениях. Выводы – поток тепла поперек галеты вовсе не мал и значительно влияет на стабильность. Критические энергии и достигнутые до перехода напряжения чрезвычайно велики в случае реального распространения тепла в двух направлениях (вдоль провода и поперек витков). Предложено два направления: улучшать поперечную теплопроводность и наращивать толщину стабилизатора.

G. Celentano [20] экспериментально исследовал процессы распространения нормальной зоны в YBCO галетах. Показано, что для коммерческой 2G ленты SCS4050 (охлаждаемой только за счет теплопроводности) типичные скорости распространения при азотных температурах составляют порядка 1 см/с, и по мере приближения к критическому току растут до ~5 см/с. Также сделана попытка учесть тепловой контакт между витками с помощью коэффициента η, который меняется от 0 - при полностью не контактирующих витках, до 100% - в случае идеального теплового контакта. Показано, что для двойной галеты, изготовленной по стандартной технологии, с 25 мкм каптоновой изоляцией совпадение с экспериментом наблюдается при η = 25%.

В компании SuperPower озаботились множественными сообщениями (и сами убедились) в деградации проклеенных 2G галет. Представитель фирмы, выступивший с длинным приглашенным докладом, вначале привел варианты решения проблемы, предложенные в литературе. Например, упомянутое выше затягивание ленты в 20 мкм полиэстеровую трубку (U. Trociewitz, 2011), или возврат к идее парафина (Matsumoto, 2012). Проанализировав существующие сообщения, и поэкспериментировав с галетами собственного производства, в SuperPower разработали методологию намотки ВТСП галет:

1. Намотка сверхпроводника параллельно с нержавеющей лентой. Очевидные преимущества: механическое усиление, рост стабильности из-за увеличения поперечной теплопроводности, при переходе в нормальное состояние нержавеющая лента играет роль стабилизатора. Недостатки: снижение средней плотности тока, перераспределение токов и рост потерь на переменном токе. Следует отметить, что по похожей технологии был дополнительно стабилизирован проводник ВТСП токоограничителя разработанного и изготовленного в Курчатовском институте [21].

2. Промазка галет клеем только с торца - механическая фиксация, защита от проникновения влаги, а главное нет нарушения сверхпроводящего слоя и деградации критического тока при термоциклировании.

3. Медленный ввод и вывод тока

4. Медленные захолаживание и отогрев.

ВТСП соленоиды уже стали коммерческим

продуктом

Представители компании Fujikura (Япония) не только делают успехи в производстве собственных ReBCO лент (критический ток при 77К до 500 А/см, длины одиночного куска > 600 м), но и выступили с сообщением от успешных испытаниях ReBCO соленоида с индукцией в 5 Тл и с самым большим на сегодняшний день теплым отверстием в 200 мм (израсходовано 7,5 км ВТСП ленты, рабочая температура 24 К, охлаждение от криокулера).

ВТСП соленоид состоит из 24 галет (промазаны эпоксидной смолой через каждые два витка). Каждая галета была испытана отдельно в азоте. Деградации не наблюдалось, параметр n равнялся 27 до и после нескольких термоциклов. ВТСП проводник имел толстый (300 мкм) медный стабилизирующий слой. Похоже, что к аналогичным решениям неизбежно придут все разработчики ВТСП магнитных систем - подобно НТСП соленоидам, существует необходимость наращивания достаточного сечения стабилизатора, которое вычисляется из условия адиабатического нагрева до <300 К за время срабатывания системы защиты катушки.

Рис. 4. ReBCO соленоид на 5 Тл (Fujikura, Япония) с теплым отверстием 20 см с охлаждением от криокуллера.

Интересно, что предварительное захолаживание от криокулера велось крайне медленно – больше 10 суток. Во время испытаний в магнит успешно заведен ток ~330А (5 Тл).

Японские специалисты успешно продемонстрировали, что могут из своей ВТСП ленты делать законченные коммерческие устройства. Данную магнитную систему пока планируют использовать у себя в лаборатории для измерения свойств новых ВТСП лент. В целом же, подобные устройства, не нуждающиеся в жидких хладагентах, могут быть полезны широкому кругу исследователей во многих отраслях физики и биологии, и.т.д.

1,5 Тл YBCO ЯМР-магнит

(IRL, Новая Зеландия)

Компания IRL (Новая Зеландия) представила прототип 1,5 Тл ортопедического томографа на основе ВТСП лент 2-го поколения AMSC (охлаждение от криокулера, рабочая температура 19 К). Работы финансируются правительством Новой Зеландии. Компания Fabrium изготавливает шиммирующие и градиентные катушки, компания HTS-110 отвечает за магнитную систему, состоящую из ВТСП галет. Каждая галета была предварительно отдельно испытана при 30 К, причем перед намоткой производился строгий контроль качества ленты — критический ток, независимо от предоставленных производителем данных, измерялся через каждые 4 см длины ленты. Магнитная система томографа состоит из 5 YBCO галетных сборок и железного ярма. Общая длина ВТСП проводника 4,8 км. Магнитная система была успешно испытана и представлена на проходящей в рамках конференции выставке.

Рис. 5. ВТСП (YBCO) магнитная система ЯМР

томографа на 1,5 Тл(IRL), радиочастотная обвязка пока еще не готова.

Из представленного обзора видно, что разработка и создание ВТСП магнитных систем во всем мире движется параллельными курсами. Ученые из разных стран одновременно сталкиваются с общими проблемами и работают над их решениями. По всей видимости, наиболее близким и реальным практическим приложением станут ВТСП магнитные системы, способные конкурировать с ниобий-оловянными и ниобий-титановыми лабораторными соленоидами, востребованными во многих областях науки и техники. В след за этим следует ожидать успехов в достижении сильных и сверхсильных магнитных полей, в основном для ЯМР спектрометрии сверхвысокого разрешения и других научных исследований. Наметившийся прогресс в агрегатировании ВТСП проводников может дать толчок в развитии ускорительной техники и накопителей с большой запасенной энергией.

 

 

1. B.A. Glowacki et. al. 1PLB-01 - Beyond The Helium Conundrum.

2. A.V. Gavrilin et. al. 1LPS-05 - Observations from the analyses of magnetic field and AC loss distributions in the NHMFL 32T superconducting magnet 

3. M. Dalban-Canassy et. al.,  3LF-02 - Experimental Data Analysis of High Field REBCO Layer-wound Coils 

4. H. Bai et. al. 2LPQ-01 - Thermal Conductivity Test of a YBCO Coated Conductor Tape Stacks with Insulated Stainless Steel Tapes

5. A.J. Voran 1LPQ-02 - Fabrication and Testing of Small REBCO Coils

6. H.W. Weijers 3LF-05 - Specification of (RE)BCO coated conductors for high-field magnet applications]

7. J. Toth  2LPQ-03 - Homogeneity Study for the NHMFL Series Connected Hybrid Magnet System

8. W. Marshall 2LPQ-08 - Currentleads for the NHMFL series-connected hybrid magnet

9. A. Ballarino 2LPF-01 - Production and characterization of long lengths of 1-5 kA range HTS twisted-pair cables for use in superconducting links]).

10. J. Bascunan 1LPQ-05 - A New High-Temperature Superconducting (HTS) 700-MHz Insert Magnet for a 1.3-GHz LTS/HTS NMR Magnet

11. A.V. Dudarev, A.V. Gavrilin, V.E. Keilin, et al. Superconducting windings with “short-circuited turns”, Transactions of EUCAS 1997, Netherlands, pp.1615-1618

12. Q. Wang 3LF-04 - High Magnetic Field Superconducting Magnet System Up to 25 T for ExCES )

13. S. Chen 2LPQ-05 - Construction and performance of a 12T Hybrid superconducting magnetization system

14. S. Choi 2LPQ-04 - The manufacture and test of a Gdbco insert coil for a 11 T superconducting magnet

15.  D. Kim  1LPQ-03 - Development and Test of HTS Insert Magnet with Auxiliary Coil for High Field Applications

16. J.-M.G. Rey 1LPQ-06 - HTS Dipole Insert Developments

17. U.P. Trociewitz 3LF-06 - Processing of Bi-2212 Round Wire Wound Coils

18. T. Shen 5LC-06 - High-strength, 20-T class Bi2Sr2CaCu2Ox cables for high-field magnets

19. J.-M.G. Rey 1LPS-08 - YBCO quench propagation in pancake: experimental and computation results comparison

20. G. Celentano 1LA-01 - Quench analysis in a conduction cooled YBCO pancake coil

21. V.E Keilin et al., Design and Test Results of a 1 MVA Resistive Type Fault Current Limiter, Physics Procedia, v.36, 1215

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.