Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по разное
Работа выполнена в Российском научном центре Курчатовский институт
На правах рукописи
НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ:
Кейлин доктор технических наук
, профессор Виктор Ефимович Российский научный центр Курчатовский институт, г. Москва ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:
Высоцкий доктор технических наук, Виталий Сергеевич Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт кабельной промышленности, г. Москва СУРИН Михаил Израелевич Ковалев доктор технических наук, Лев Кузьмич Московский авиационный институт (технический университет), г. Москва РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ СОЗДАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ Мезенцев доктор физико-математических наук, ВЫСОКОНАДЕЖНЫХ КОМПАКТНЫХ Николай Александрович Учреждение Российской академии наук Институт СВЕРХПРОВОДЯЩИХ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск НАУЧНОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:
Всероссийский высокотехнологический научно-исследовательский институт неорганических материалов имени академика А.А. Бочвара 01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики
Защита диссертации состоится У____Ф ____________ 2009 г.
в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 003.016.Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики
АВТОРЕФЕРАТ
им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.
диссертации на соискание ученой степени Адрес: 630090, г. Новосибирск-90, проспект академика Лаврентьева доктора технических наук
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ им. Г.И. Будкера
Автореферат разослан У____Ф ____________ 2009 г.
Ученый секретарь А.В. Бурдаков диссертационного совета доктор физ.-мат. наук НОВОСИБИРСК, 20Цель диссертации
Актуальность темы диссертации Более сорока лет не ослабевает интерес к практическому Разработка методов создания и исследования СМС с высокой использованию сверхпроводимости, в частности, к генерации магнитных конструктивной плотностью тока для использования в магнитооптике, полей с помощью сверхпроводящих магнитных систем (СМС).
физике твердого тела и электронной микроскопии, установках по Сверхпроводящие магниты находят все более широкое применение в исследованию эффекта Мессбауэра и нейтронографии, физике плазмы, исследованиях по физике конденсированного состояния вещества, ускорительной технике, электроэнергетике.
химии, биологии, ускорительной технике, электроэнергетике.
Физико-техническое обоснование разработанных магнитных Одновременно с расширением областей применения и количественным технологий и использование результатов исследований для выработки ростом СМС (в настоящее время в мире эксплуатируются десятки тысяч конкретных рекомендаций по повышению стабильности и сверхпроводящих магнитов) все более важными становятся вопросы их воспроизводимости параметров СМС, уменьшению массогабаритных оптимизации по массогабаритным характеристикам, надежности, характеристик и стоимости, упрощению эксплуатации.
экономичности.
На защиту выносятся следующие результаты:
Развитие крупных научных проектов по ускорительной технике (LHC, FAIR), управляемому термоядерному синтезу (ITER), а также ЯМР- 1. Разработка и исследование многочисленных СМС из проводов на спектрометрии сверхвысокого разрешения привело к необходимости основе ниобий-титана с индукцией до 10 Тл при 4,2 К.
значительного увеличения плотности тока в многоволоконных Улучшение воспроизводимости предельных токов за счет сверхпроводниках на основе ниобий-олова (с 600 А/мм2 до 3000 А/мм2 в применения технологии, снижающей энергию упругой 12 Тл).
деформации. Изучение явления размерного эффекта и Рост плотности тока в выпускаемых промышленностью апробация его на обмотках цилиндрической формы.
проводниках и изготавливаемых из них устройствах приводит к Экспериментальное исследование пондеромоторных и увеличению уровня пондеромоторных нагрузок, ответственных за термических деформаций обмоток СМС и обоснование механические неустойчивости и, как следствие, к тренировке и эффективности бандажирования для устранения тренировки.
деградации СМС.
Не потеряла актуальности проблема разработки эффективных 2. Разработка и исследование комбинированных СМС из проводов методов защиты СМС для обеспечения их сохранности после перехода в на основе сплавов ниобий-олова, ниобий-титана и ванадийнормальное состояние (без уменьшения конструктивной плотности тока галлия, изготовляемых как мелкими сериями с индукцией в обмотках). Важной задачей является развитие современных методов 1012 Тл, 1213 Тл, 1415 Тл, так и уникальных (до 18 Тл при диагностики механических возмущений в СМС.
4,2 К). Экспериментальное изучение устойчивости обмоток из сплавов на основе ниобий-титана и ниобий-олова при создании наружных секций опорного поля с большими пондеромоторными нагрузками. Экспериментальное подтверждение радикального 3 Научная новизна повышения надежности электрической защиты СМС на 1318 Тл за счет использования электропроводящего экрана. Исследование 1. Систематически (более чем на трехстах СМС) исследовано возможности повышения индукции магнитного поля за счет влияние на их предельные токи уровня механических применения как легированных проводов на основе Nb3Sn с напряжений, размера и формы токонесущего элемента, внутренними распределенными источниками подпитки, так и различных способов бандажирования осевых и радиальных изготовленных по "бронзовой" технологии.
нагрузок.
3. Разработка, создание и исследование семейства СМС для 2. Развита и обоснованна оригинальная технология гиротронов на 510 Тл, а также уникальной СМС для гиротрона полузамоноличивания обмоток СМС из проводников на основе на 170 ГГц с индукцией 7,17 Тл в отверстии 219 мм. Разработка ниобий-титановых сплавов. Разработанная технология снижает уникальной СМС, намотанной из проводника кабель в энергию упругих деформаций, уменьшает эффект тренировки, оболочке для имитации возмущений в обмотках СП токамака по позволяет многократно использовать проводник. Технология программе KSTAR (Республика Корея) и демонстрация была широко использована как для создания СМС с запасенной возможности изменения магнитной индукции в этой СМС со энергией до 4 МДж, так и для высоко-компактных СМС с скоростью 53 Тл/сек без перехода в нормальное состояние.
индукцией 89 Тл при 4,2 К и наружным диаметром 85 мм.
4. Разработка и создание двухкатушечной СМС для накопителей 3. На полномасштабных СМС экспериментально изучена энергии на 0,5 МДж. Экспериментальное изучение возможности возможность увеличения магнитной индукции за счет многократного перераспределения энергии с рабочим циклом 2 с использования проводников из ниобий-олова разных без перехода в нормальное состояние. Исследование конструкций. В созданной компактной СМС с индукцией 17,7 Тл особенностей механических импульсных возмущений в при 4,2 К плотность тока достигает 12 кА/см2 на сечение накопителях на 0,5 МДж, а также в обмотках барабанного сверхпроводящего провода в максимальном поле. СМС не сепаратора методом акустической эмиссии. Разработка СМС, уступает зарубежным аналогам по массогабаритным намотанных из проводников из сплава на основе ниобий-титана с характеристикам.
запасенной энергией до 4 МДж, достигающих токов короткого образца практически без тренировки. Экспериментальная 4. На созданной двухкатушечной СМС накопителей энергии на демонстрация эффективности компенсации осевых 0,5 МДж проведено моделирование возможности многократной пондеромоторных нагрузок для увеличения предельных токов на перекачки энергии. Успешно испытана конструкция примере СМС спектрометр-электроновод с управляемым токонесущего элемента, усиленного стрендами из нержавеющей магнитным зеркалом.
стали. Методом акустической эмиссии впервые исследован характер и особенности механических возмущений в СМС для накопителей энергии, проведена их линейная локализация.
5 Предложенные автором изменения конструкции токонесущего Практическая ценность элемента позволили без тренировки увеличить запасенную Разработки, исследования и предложения автора были использованы энергию до 0,8 МДж.
при создании более 300 СМС, многие годы успешно эксплуатирующихся 5. На разработанном и испытанном прототипе СМС для 170 ГГц в ведущих научных учреждениях России, странах ближнего и дальнего гиротрона достигнута уникальная совокупность параметров зарубежья (Германия, Республика Корея, Венгрия, Чехия, Болгария, (величина магнитной индукции, диаметр рабочего отверстия, Румыния и др.). Максимальная индукция лабораторных СМС, крутизна спада поля), не имеющаяй аналогов как в РФ, так и за намотанных из проводов на основе ниобий-титанового сплава, достигает рубежом. Предложенная автором оптимизация СМС по 910 Тл при 4,2 К, что близко к максимальному значению для этого механическим напряжениям позволила избежать выявленной при сверхпроводника (всего изготовлено около 100 магнитов, в том числе предварительных испытаниях тренировки СМС.
компактные с наружным диаметром 85 мм). С использованием проводников на основе ниобий-титанового сплава также созданы мелкие 6. Экспериментально исследовано влияние электропроводящего серии установок для исследований по физике конденсированного экрана на переходной процесс ряда СМС с сильным полем.
состояния (в т.ч. для оптических исследований с вертикальным и Использование рекомендаций автора позволило радикально, (в горизонтальным расположением оси соленоида, для мессбауэровских и 1520) раз удлинить переходной процесс, избежать больших магнитоструктурных исследований, изучения квантового эффекта градиентов тока и напряжений, значительно повысить Холла, адиабатического размагничивания, исследований вещества эффективность вывода энергии и существенно улучшить мюонным методом и др).
электрическую защиту СМС.
При определяющем участии автора освоено создание 7. Продемонстрирована возможность изменения магнитной высоконадежных комбинированных СМС, выпускаемых мелкими индукции со скоростью 53 Тл/сек без перехода в нормальное сериями с индукцией 1213 Тл и 1415 Тл при 4,2 К из проводников на состояние на разработанной при активном участии автора основе ниобий-олова и ниобий-титана.
уникальной СМС, намотанной из проводника кабель в Практические рекомендации автора были взяты за основу при оболочке, предназначенной для имитации электромагнитных проектировании и создании уникальных СМС для:
возмущений в СП токамаках.
Х Исследований свойств полупроводников в сильных полях Таким образом, в диссертации на примере многочисленных (индукция 1718 Тл при 4,2 К);
СМС развито и экспериментально обосновано новое научное направление: принципы и методы создания СМС высокой Х Спектрометрии электронов конверсии (СМС с управляемым надежности, в первую очередь, для научного приборостроения и магнитным зеркалом на длине 1,6 м);
экспериментальной физики.
Х Ускорительной техники (запасенная энергия до 4 МДж);
Университете, Ленинградском физико-техническом институте, Х Экспериментов по высокочастотному нагреву плазмы и УТС ИЯФ СО РАН им. Будкера;
(СМС для гиротронов на 170 ГГц, установка для изучения свойств жидких металлов в сильных магнитных полях с Х На российском электротехническом конгрессе, Москва, 1999 г.;
возможностью изменения пространственной ориентации магнитной оси, СМС для моделирования возмущений на Х На симпозиуме по использованию сверхпроводимости в стендах обмоток СП токамака со скоростью изменения накопителях энергии, Карлсруе, Германия, 1994 г.;
магнитной индукции 53 Тл/сек);
Х На конференциях США по прикладной сверхпроводимости Х Двухкатушечных СМС для накопителей энергии на 0,5 МДж:
2000 г.; (три доклада), 2002 г.;
Х На международных конференциях по магнитным технологиям Х Высокоэкономичных СП ключей.
1991, 1995, 2001 (два доклада), 2005 гг.;
По широте применения разработанные СМС охватывают Х На конференции США по криогенной технике, 1989 г.;
значительную часть основных направлений практического Х На международной конференции CryoPrague 2006.
использования технической сверхпроводимости.
Структура диссертации Апробация работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка Основные результаты работы докладывались и обсуждались на цитируемой литературы, включающего 224 наименований. Объем российских и международных семинарах и конференциях, в том числе:
диссертации составляет 247 страниц, в том числе 117 рисунков и Х На 2-ой Всесоюзной конференции по техническому 34 таблицы. Список основных научных работ, представляющих использованию сверхпроводимости, Ленинград, 1983 г., (три важнейшие результаты диссертации, составляет 35 наименований.
доклада);
Х На симпозиуме по взаимодействию мюонов и пионов с Содержание работы веществом, Дубна, 1986 г.;
В Главе 1 выполнен обзор работ, посвященных основным Х На IV Российской конференции по физике полупроводников, электрофизическим и механическим свойствам низкотемпературных Санкт-Петербург, 2003 г.;
современных сверхпроводящих проводов, в частности, используемых при создании сильных магнитных полей с помощью СМС. Установлена Х На научных семинарах в РН - "Курчатовский институт", связь увеличения плотности тока в проводниках с термомеханическими Корейском электротехническом институте, Корейском неустойчивостями обмоток, обуславливающими тренировку токов институте Атомной энергии, Сеульском Государственном 9 Таблица 1. Параметры лабораторных СМС перехода в нормальное состояние. Рассматриваются способы с индукцией до 10 Тл при 4,2 К уменьшения тренировки и деградации СМС с высоким уровнем механических напряжений (введение силовых элементов в № Длина, Макс. Предельный Примечание СМС мм индукция ток, А вн., нар., сверхпроводник, бандажирование, компаундирование). Представлены в центре мм мм новые подходы, позволяющие значительно увеличить стабильность при 4,2 К СМС за счет добавок веществ с высокой теплоемкостью. Описаны 1 15 40 61 4,6 67 Раздвижка 9 мм, провода 0,33 мм современные методы регистрации механических возмущений и 2 40 68 80 5 провод. 0,33 мм деформаций в обмотках СМС и результаты исследований СМС методом 3 200 287 202 4,34 98 Раздвижка 30 мм, акустической эмиссии. Анализируются преимущества и недостатки провода 0,7 мм известных способов защиты СМС при переходе в нормальное состояние.
4 20 85 200 8,4 91 Ток короткого Подчеркнуто возрастание внимания к проблеме электрической образца 5 16 98 120 8,9 провод. 0,50,7 мм надежности СМС в связи с ростом плотности тока в современных 6 45 170 160 9 140 Раздвижка 20 мм проводниках.
7 40 180 200 9,1 158 Раздвижка 12 мм В Главе 2 рассматриваются вопросы разработки и исследования 8 55 204 210 10 130 Магнитопровод, СМС с индукцией до 10 Тл при 4,2 К и запасенной энергией до 500 кДж концентраторы, раздвижка 25 мм из проводников на основе ниобий-титана, применяемых в основном для 9 45 164 200 10,08 136 Ток короткого исследований в физике конденсированного состояния. Разработана и образца апробирована простая эффективная технология, позволившая в 10 125 250 350 8,7 350 Ток короткого образца значительной степени уменьшить невоспроизводимость предельных 11 40 195 200 9,55 150 -//токов СМС лабораторного масштаба за счет снижения энергии упругой 12 45 164 200 9,5 136 -//деформации, возникающей при охлаждении обмоток до температуры 13 40 160 200 9,3 135 -//жидкого гелия и приводящей к образованию трещин вследствие 14 40 156 200 9,4 132 -//большого различия коэффициентов теплового сжатия компаунда и 15 40 125 200 9,6 142 -//16 60 182 200 9,2 180 -//металла [1]. Технология допускает многократное использование 17 60 182 200 9,7 188 -//сверхпроводника. Экспериментально изучено влияние уровня 18 24 145 118 9,05 122 -//механических напряжений, размера и формы токонесущего элемента на 19 25 82 120 8,36 88,4 -//токи перехода в нормальное состояние более чем 200 СМС различной 20 20 150 180 6,4 140 Раздвижка 50 мм конструкции. В частности, разработаны и исследованы лабораторные 21 26 82 120 8,4 83,2 Ток короткого образца СМС из одноволоконного и многоволоконного проводников с 22 10 70 87 6,6 99,6 Раздвижка 11 мм индукцией до 10 Тл при 4,2 К.
23 10 57 44 6,5 11 в обмотке СМС из-за наличия в ее структуре демпфирующих элементов с низким значением модуля Юнга. Результат хорошо согласуется с выводами по экспериментальному изучению деформаций.
Разработаны и исследованы более 20 СМС с повышенной однородностью за счет использования внутреннего паза. Исследования этих СМС показали, что наличие внутреннего паза не приводит к тренировке и деградации СМС, но неточности изготовления препятствуют получению расчетной однородности, если ее значение превышает величину 10-410-5.
Таблица 2. Параметры СМС с повышенной однородностью и требуемой конфигурацией магнитного поля Примечание Рис. 1. Результаты тензометрических измерений Тензометрическим методом исследовались деформации ряда СМС.
Преследовалась цель определения характера передачи усилий внутри обмотки, прогнозирования и объяснения эффективности 1 40 150 200 8,9 133 Намотка на одном 610-5 в смкаркасе бандажирования, а также сопоставления величин деформаций [5]. На 2 60 180 200 8,7 1410-5 в см3 -//- рис. 1. представлены результаты измерения деформаций в СМС №3 100 160 300 7,3 1110-4 в объеме -//- (см. таблицу 1). Экспериментально установлено, что относительные 60 20 мм температурные деформации достигают величины 7,110-3, а 1,310-4 в сфере Раздвижка 120 мм 4 390 560 302 3,2 740 мм пондеромоторные деформации наружного слоя СМС являются Спец. форма Меньше 110-3 от поля 5 60 160 200 8,8 1сжимающими, т.е. для не очень тонких СМС (>1,5) характер поля в центре в области 60120 мм деформаций качественно близок к вычисленным по модели свободного 6 185 310 200 6,2 341 Спец. форма СМС для гиротрона витка, что свидетельствует о плохой передаче растягивающих усилий поля от внутренних слоев СМС к наружным. На примере двух СМС с 7 60 175 220 8,9 184 Градиентные катушки 110-4 в смпрактически одинаковыми размерами продемонстрировано влияние градиент не менее 710-3 Тл/мм площади поперечного сечения токонесущего элемента на предельные 8 30 90 150 8,5 88 < 10-3 объеме Намотка на одном токи. Также экспериментально подтверждена неэффективность каркасе 1030 мм бандажирования пондеромоторных радиальных усилий в СМС с >1,5, 9 250 380 500 6,36 1008 10-3 на длине Для мюоных 7,5 см исследований что объясняется в основном недостаточным перераспределением усилий 13 ток, А 4,2К, Тл № СМС Измеренная Предельный вн., мм в центре при Длина, мм нар., мм однородность Макс.индукция Глава 3 посвящена разработке технологии создания и стабилизационным покрытием. Разработана и испытана СМС опорного исследованию СМС с использованием интерметаллических проводников поля с индукцией 12,5 Тл в отверстии 220 мм [23]. Экспериментально в основном на основе ниобий-олова с индукцией до 18 Тл при 4,2 К. исследована возможность увеличения индукции магнитного поля за счет Разработана и испытана комбинированная СМС с индукцией 12,2 Тл использования легированных проводов, изготавливаемых как по в отверстии 80 мм при 4,2 К. Внутреняя секция изготовлена из ванадий- бронзовой технологии, так и с внутренними распределенными галлиевого провода. Показаны преимущества и недостатки источниками подпитки. Успешно испытана СМС модификации УИС-1 с использования ванадий-галлиевого проводника в СМС с сильным индукцией 14,7 Тл и наружным диаметром 207 мм (№24 в таблице 3).
полем [3,12]. Спроектирована и испытана компактная СМС с индукцией 17,7 Тл при Предложены и изучены режимы отжига в инертном газе и 4,2 К, в которой достигнута средняя плотность тока 12 кА/см2 в 17,8 Тл импрегнирования СМС изготовленных по технологии лотжиг после [19,30]. Экспериментально исследовано влияние медного экрана на намотки из проводников на основе ниобий-олова. переходной процесс СМС с сильным полем [18,32]. Обнаружено Разработаны и исследованы около 100 лабораторных СМС для радикальное (в 1520 раз) увеличение длительности переходного установок типа УИС-1 с индукцией 1013 Тл, УИС-2 с индукцией процесса при использовании медного экрана, что позволяет избежать значительных градиентов изменения тока и роста напряжений в 1415 Тл и УИС-3 с индукцией 16 Тл как из провода с медным обмотках СМС (см. рис. 2), приводящих к электрическим повреждениям.
стабилизационным покрытием, так и без него (с бронзовой матрицей, Увеличение длительности переходного процесса вследствие содержащей 813% олова) [2,11,23,24,13,16].
использования медного экрана обеспечило вывод на внешние Обнаружено, что:
сопротивления около 20% энергии (без экрана 35%).
Проведено экспериментальное сопоставление устойчивости 1. Токи перехода в нормальное состояние, как правило, близки к СМС из проводников на основе ниобий-титана и ниобий-олова к критическим токам коротких образцов;
механическим возмущениям импульсного характера, обусловленным 2. Как и следовало ожидать, для СМС без стабилизирующего высоким уровнем пондеромоторных нагрузок. Для обмоток из ниобиймедного покрытия существует повышенная опасность оловянных проводников цилиндрической формы обнаружена электрического пробоя СМС при переходе в нормальное значительно большая, чем для ниобий-титановых обмоток, устойчивость состояние (хотя и наличие меди не устраняет эту опасность и, соответственно, уровень допустимых токов. Для обмоток полностью).
эллиптической формы подобных преимуществ не обнаружено.
Полученные результаты были использованы для оптимизации секций Изучены переходные процессы и найдены оптимальные параметры опорного поля (достигнуты напряжения 200 МПа), что существенно шунтирования ниобий-оловянных секций. Обоснована необходимость и уменьшило массогабаритные характеристики СМС.
выработаны рекомендации по увеличению коэффициента заполнения ниобий-оловянных проводников медью до 50%. В таблице 3 приведены основные параметры некоторых комбинированных СМС с медным 15 Таблица 3. Параметры комбинированных (NbTi + Nb3Sn) СМС с медным 23 45 194 200 12,2 301 ЦНТТМ Дока стабилизационным покрытием проводников 24 45 207 200 14,7 274 ЧМЗ г. Глазов № Длина, Макс. Предельный Пользователь 25 45 226 200 14,8 287 ЧМЗ г. Глазов СМС мм индукция в ток, А вн., нар., центре при мм мм 4,2К 1 45 208 200 12,6 246 ИФТТ РАН Таблица 4. Основные параметры СМС с индукцией 17,7 Тл при 4,2 К 2 45 181 200 12,3 302 ВНИИМС Секции Внутренние Наружные 3 40 186 200 12,8 306 ВНИИМС 1 2 1 2 4 45 181 200 12,4 290 ВНИИМС Вклад в индукцию в 5,04 5,06 3,.46 4,5 40 200 200 12,1 292 ИФТТП АН БССР центре (Тл) 6 43 199 200 13 256 МЭИ Средняя плотность 8540 13472 10603 140025 186тока в обмотке (А/мм2) 7 45 196 200 13,2 257 ИФТТ РАН Плотность тока в 119,8 195,6 119,7/156,4 212,9 332,6/212,8 45 200 200 13,3 243 Германия проводнике (А/мм2) Максимальное 80 155 110/150 200 190/9 45 199 200 13 267 Корея растягивающее напряжение (МРа) в 10 45 200 200 13,6 258 ВНИИНМ модели свободного 11 45 199 200 12,6 246 ИФП РАН витка Общая запасенная 1,12 45 200 200 13,6 267 ИКАИ СССР энергия (МДж) 13 40 197 200 13,2 238 Квантум 14 40 304 300 14,6 304 ИФТТ РАН 15 40 306 300 14,5 417 ИОФАН 16 40 320 300 15,0 257 ФИАН 17 40 310 300 14,65 317 Чехия 18 220 505 400 12,5 906 РН - КИ 19 45 400 400 886; 112 РН - КИ 16,116,20 45 200 200 13,5 240 ИК ЧИП 21 45 196 200 13,4 268 ИК ЧИП 22 45 199 200 12,6 246 ИПФ СО АНСССР 17 без медного экрана В Главе 4 приведены результаты исследований СМС, применяемых в экспериментах по изучению физики плазмы и управляемому термоядерному синтезу (УТС). В рамках программы исследования систем ограничения плазмы и защиты первой стенки термоядерных реакторов была разработана установка Магда [8], включающая в себя СМС и гелиевый криостат. В СМС без тренировки достигнута индукция 6,28 Тл при 4,2 К в отверстии 370 мм. Однородность в СМС улучшена на длине 400 мм за счет использования внутреннего паза. Главной особенностью конструкции криостата является расположение питателя под углом 450 к оси соленоида, что позволяет изменять ориентацию магнитной оси соленоида.
В целях имитации электромагнитных возмущений на обмотках СП токамака по программе KSTAR разработана СМС и исследована возможность изменения ее магнитной индукции со скоростями несколько десятков Тл/c [27, 28]. В связи с тем, что СМС предназначена с медным экраном для эксплуатации во внешнем магнитном поле 810 Тл, в качестве токонесущего элемента была использована транспонированная скрутка ниобий-оловянных проводников диаметром 0,85 мм в оболочке из нержавеющей стали, разработанная и изготовленная во ВНИИКП.
Отработана технология одновременной намотки и изолировки высокотемпературной изоляцией кабеля в оболочке, а также отжига в инертном газе при температуре 5507000С с прокачкой газообразного гелия через токонесущий элемент с последующей поэлементной заменой металлического каркаса на стеклопластиковый. При испытаниях достигнута скорость изменения индукции 20 Тл/сек в центре СМС или 53 Тл/сек на обмотке без перехода в нормальное состояния.
Экспериментально исследована и подтверждена эффективность экранировки рассеянного магнитного поля путем применения дополнительной пассивной обмотки (см. рис. 3).
Рис. 2. Увеличение длительности переходного процесса за счет использования медного экрана 19 Рис. 4. Тренировка СМС для 170 ГГц гиротрона Рис. 3. Разряд катушки со скоростью 20 Тл/c В Главе 5 приведены результаты разработки и испытаний СМС различного назначения для исследований в ядерной физике, Для высокочастотного нагрева плазмы разработано семейство СМС ускорительной технике, магнитной сепарации, электроэнергетике.
для гиротронов с индукцией 5,510 Тл, а также по программе ИТЭР - Спроектирована и испытана СМС спектрометр-электроновод для прототип СМС для 170 ГГц гиротрона [21, 35]. От зарубежных аналогов собирания электронов конверсии первичных осколков деления ядер (помимо большей величины магнитного поля) СМС отличается более мишени в нейтронном пучке. Длина соленоида около 1,6 м. Соленоид крутым и несимметричным спадом магнитного поля по оси, что снабжен двумя СП ключами [10,15,22]. Экспериментально исследовано обуславливает значительные осевые (несколько десятков тонн) осевое распределение магнитного поля при варьировании токов в пондеромоторные нагрузки. Исследована тренировка СМС, проведено секциях для изменения телесного угла собирания электронов за счет сопоставление измеренного и расчетного магнитного поля, создания магнитного зеркала в широких пределах (00,5 от 4 ), см.
продемонстрирована ее работоспособность при неполном погружении в рис. 5. Обнаружено, что слабая индуктивная связь секций СМС и жидкий гелий. Проведена оптимизация механических напряжений в достаточно подробное шунтирование приводят к возможности обмотках СМС, позволившая устранить тренировку в обмотке СМС из частичного (до 40%) восстановления транспортного тока после перехода многоволоконного ниобий-оловянного проводника и достичь проектной в нормальное состояние одной из секций. На СМС спектрометриндукции 7,17 Тл в отверстии 219 мм. Характер тренировки токов СМС электроновод экспериментально продемонстрирована эффективность до и после оптимизации представлен на рис. 4.
бандажирования осевых пондеромоторных нагрузок за счет силовых домкратов, позволивших повысить рабочий ток на 1520%.
21 Разработаны две относительно крупные СМС для исследований по ускорительной технике. В качестве токонесущего элемента использовались проводники на основе ниобий-титана прямоугольного сечения (3,52 мм2 и 53 мм2). Каждая СМС состоит из основного (фокусирующего) и вспомогательного (согласующего) соленоидов. На обеих СМС была продемонстрирована возможность достижения предельных токов, близких к токам короткого образца (запасенная энергия в СМС №2 более 3 МДж) практически без тренировки (см.
таблицу 5) [17].
В целях моделирования возможности кратковременного (около 2 с) многократного поддержания напряжения в электросетях при аварийном отключении разработана и исследована двухкатушечная СМС для индуктивных накопителей энергии на 0,5 МДж с рабочим током 1550 А.
Экспериментально продемонстрирована возможность многократной перекачки энергии из одной катушки в другую без перехода в нормальное состояние [25, 33] (см. рис. 6). В целях повышения предельного тока проведена оптимизация обмоток СМС по уровню механических напряжений и исследован размерный эффект в этих СМС, намотанных из транспонированных проводников с медным сердечником и нержавеющими силовыми элементами, разработанных и изготовленных во ВНИИКП. Параметры СМС приведены в таблице 6.
Методом акустической эмиссии изучены особенности импульсных возмущений механического происхождения, а также проведена линейная локализация этих возмущений.
Разработаны и испытаны опытные образцы СМС лабораторного масштаба для магнитной сепарации как с обмотками в форме рейстрека, так и цилиндрической формы, в частности, для очистки каолина, где достигнут градиент магнитного поля 117 Тл2/м.
23 Спектрометре-электроноводе.
Рис. 5. Осевое распределение магнитного поля в Таблица 5. Параметры нестационарно стабилизированных СМС Таблица 6. Основные параметры двухкатушечной СМС для для исследований в ускорительной технике накопления и передачи энергии на 0,5 МДж с запасенной энергией до 4 МДж Накопитель 1 Накопитель Параметр СМС № 1 СМС №Тип магнитной системы Соленоид Соленоид Достигнутый ток, А 780 10Индукция в центре, при 1550 А, в Тл 3,39 3,Индукция в центре, Тл 8,0 6,Индуктивность, Гн 0,42 0,4Запасенная энергия, МДж 2 3,Внутренний диаметр, мм 400 4Диаметр рабочего отверстия, мм 260 2Наружный диаметр, мм 552 5Наружный диаметр, мм 425 5Длина, мм 580 5Длина по обмотке, мм 1130 18Средняя плотность тока при 1550 А, А/мм2 46 45/Токонесущий элемент: шинка СКНТ, 3,52 5Достигнутая запасенная энергия при 0,8 0,сечением, мм предварительных испытаниях, МДж Механические напряжения 120 Минимальное время перекачки энергии, с 2 (в модели свободного витка) МПа (без перехода в нормальное состояние) В заключении изложены основные выводы работы В диссертации на примере многочисленных СМС развито и экспериментально обосновано новое научное направление: принципы и методы создания СМС высокой надежности, в первую очередь для научного приборостроения и экспериментальной физики.
Систематически исследовано влияние размера, формы сечения и конструкции токонесущего элемента на предельные токи более 300 СМС различного назначения с запасенной энергией до 4 МДж и индукцией до 18 Тл при 4,2 К. Экспериментально исследовано влияние размерного эффекта на токи срыва СМС, изготовленных из проводников на основе Рис. 6. Многократная перекачка энергии из одного ниобий-титана и ниобий-олова.
индуктивного накопителя в другой Тензометрическим методом изучена деформация ряда соленоидов в интервале температур от комнатной до жидкого гелия и в зависимости от уровня пондеромоторного нагружения. Обнаружено наличие слабого взаимодействия в радиальном направлении в толстых соленоидах 25 использованием создано около 200 СМС лабораторного масштаба и ( > 1,5), что объясняет недостаточную эффективность радиального средних размеров (до 4 МДж) различного назначения, в которых, как бандажирования. Одновременно практически продемонстрирована правило, токи короткого образца достигались без тренировки.
эффективность компенсации осевых пондеромоторных нагрузок.
Экспериментально исследована возможность увеличения индукции Методом акустической эмиссии экспериментально изучены магнитного поля и повышения надежности за счет использования особенности развития механических импульсных возмущений для СМС проводников на основе ниобий-олова, изготовленных как по различного назначения. На модельных и полномасштабных СМС бронзовой технологии, так и с внутренними распределенными обнаружена сильная зависимость амплитудных и накопленных энергий источниками подпитки. Практической реализацией исследований стало механических возмущений от рабочей частоты и величины транспортного тока. Осуществлена локализация импульсных создание серий высоконадежных СМС на 1012 Тл, 1213 Тл, 1415 Тл возмущений как на самих обмотках СМС, так и на системах (всего около 100). Была создано компактная СМС с индукцией 17,7 Тл обмотка/бандаж. при 4,2 К, не уступающая зарубежным аналогам по массогабаритным Проведено экспериментальное сопоставление устойчивости СМС из характеристикам.
проводников на основе ниобий-титана и ниобий-олова к механическим Разработан ряд уникальных СМС для исследований по физике возмущениям, обусловленным высоким уровнем пондеромоторных плазмы и УТС, в том числе, для гиротронов повышенной мощности и нагрузок. Для обмоток из ниобий-олова цилиндрической формы для систем с быстро изменяющимся (более 50 Тл/c) магнитным полем.
обнаружена существенно большая устойчивость и, соответственно, Практическое значение материалов диссертации подтверждается плотность достигаемых токов. надежной многолетней работой большинства описанных в диссертации Экспериментально исследовано влияние проводящего экрана на СМС в российских и зарубежных научно-исследовательских центрах.
переходные процессы в СМС (на примере соленоида с индукцией Разработанные технологии их изготовления продолжают применяться при создании новых СМС.
1718 Тл). Обнаружено, что использование проводящего экрана в сочетании с развитым шунтированием радикально увеличивает электрическую надежность.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах:
Разработаны и испытаны компактные СП-ключи, в которых 1. Anashkin O.P., Keilin V.E., Surin M.I., Shleifman V.Kh., The Development использован разработанный и изготовленный во ВНИИНМ проводник на and Investigation of Superconducting Magnetic Systems for Physical основе ниобий-титана в медно-марганцевой матрице. По экономичности Experiments, Cryogenics, 1979, Vol. 19, N 7, pp. 405-410.
ключи в несколько раз превышают зарубежные аналоги.
2. Keilin V.E., Lykov V.V., Romanovskii V.R., Surin M.I., Shevchenko S.A., Разработана и внедрена оригинальная технология создания СМС на Development of superconducting solenoids from multifilamentary niobiumоснове ниобий-титановых проводников, позволяющая снижать энергию tin wires without stabilizing matrix and analysis of their thermal stability, упругих деформаций (приводящих к образованию трещин в эпоксидном Cryogenics, 1985, Vol. 25, N 8, pp. 462-4компаунде), возникающих при охлаждении обмотки до температуры 3. Eckert D., Frenzel C., Keilin V.E., Surin M.I et al., A 12T 80mm bore жидкого гелия. Технология повышает стабильность предельных токов superconducting V3Ga-NbTi magnet system, Cryogenics, 1982, Vol. 22, N 4, СМС, допускает неоднократное использование сверхпроводника. С ее pp. 184-187.
27 4. Кейлин В.Е., Сурин М.И., Шевченко С.А., Стенд для испытания 13. Кейлин В.Е., Микляев С.М., Сурин М.И., Шевченко С.А., внутренних секций сверхпроводящих соленоидов, ВАНТ, 1987, Выпуск Сверхпроводящий соленоид с индукцией более 16 Тл при 4,2 К, 4(40), c. 40. Доклады Академии наук СССР, 1988, Т. 302, №5, с. 1086.
5. Лыков В.В., Сурин М.И., Экспериментальное исследование деформации 14. Микляев С.М., Сурин М.И., Шевченко С.А., Устройство обмоток СМС, В книге: Труды 2-ой Всесоюзной конференции по секционированной сверхпроводящей неоднородной магнитной системы с техническому использованию сверхпроводимости, Ленинград, 1984, тепловой защитой, а/c № 1508299 выдано 15 мая 1989 г.
с. 312-316.
15. Гусева Е.В., Моряков В.П., Пелехов В.И., Сергеев М.В., Сурин М.И., 6. Захаров Ю.В., Райцис В.И., Сурин М.И., Шлейфман В.Х., Электроновод - спектрометр с кремниевым детектором и транспортным Сверхпроводящая магнитная система для поляризации нейтронного соленоидом для исследования спектров электронов конверсии при пучка, Препринт ИАЭ 3658/14, Москва, 1982, 6 с. делении ядер нейтронами, ВАНТ, 1986, Выпуск 3(36), с. 85.
7. Сурин М.И., К вопросу о проявлении размерного эффекта в 16. Кейлин В.Е., Микляев С.М., Сурин М.И., Шевченко С.А., сверхпроводящих соленоидах, ВАНТ, 1988, Выпуск 2(42), c. 143. Сверхпроводящий соленоид с индукцией 16,2 Тл, ВАНТ, 1988, Выпуск 2(32), с.142.
8. Анашкин О.П., Кейлин В.Е., Кривых А.В., Сурин М.И., Шевченко С.А., Шлейфман В.Х., Опыт создания нестационарно стабилизированных 17. Бондарев Б.И., Грязнов Н.А., Кейлин В.Е., Сурин М.И. и др., сверхпроводящих магнитов с энергией до 2 МДж, В книге: Труды 2-ой Экспериментальный высокочастотный ускоритель протонов с Всесоюзной конференции по техническому использованию фокусировкой пучка сверхпроводящим соленоидом, Препринт сверхпроводимости, Ленинград, 1984, с. 246-248. -М- МРТИ АН СССР № 8901, Москва, 1989, 78 с.
9. Гуревич И.И., Кейлин В.Е., Сурин М.И. и др., Экспериментальный 18. Микляев С.М., Сурин М.И., Шевченко С.А., Защита сверхпроводящих магнитных систем с помощью короткозамкнутого экрана, Препринт комплекс для SR - исследований на фазатроне ЛЯП ОИЯИ, В книге:
РН - КИ-6393/10, Москва, 2006.
Труды международного симпозиума по проблемам взаимодействия мюонов и пионов с веществом, Дубна, 1987, Д14, 87, 799, с. 437-441.
19. Victor E. Keilin, Sergey M. Miklyaev, Mikhael I. Surin and Sergey A.
Shevchenko, Compact High Field Superconducting Coil, IEEE Transactions 10. Анашкин О.П., Кейлин В.Е., Моряков В.П., Пелехов В.И., Сурин М.И., on Applied Superconductivity, Vol. 12, N1, Mach 2002, pp. 484-486.
Шлейфман В.Х., Сверхпроводящий соленоид спектрометра Электроновод, ВАНТ, 1984, Выпуск 4(29), с. 124-126.
20. Кейлин В.Е., Сурин М.И., Шевченко С.А., Шлейфман В.Х., Сверхпроводящие магнитные системы с повышенной однородностью 11. Кейлин В.Е., Сурин М.И., Шевченко С.А., Лабораторные поля, ВАНТ, 1988, Выпуск 2(42), с.142-143.
сверхпроводящие соленоиды из многожильного ниобий-оловянного провода без стабилизирующей меди, В книге: Труды 2-ой Всесоюзной 21. M.I. Surin, A.S. Fix, V.E. Keilin, N.I. Kudriavsev, S.M. Miklyaev, S.A.
конференции по техническому использованию сверхпроводимости, Shevchenko and E.V. Sokolov, A prototype Superconducting Magnet for Ленинград, 1984, с. 249-251.
170 GHz Gyrotrons, IEEE Transactions on Appl. Superconductivity, 2006, pp. 845-847.
12. Анашкин О.П., Кейлин В.Е., Сурин М.И., Комбинированный (NbTi+V3Ga) сверхпроводящий соленоид, Препринт ИАЭ 3583/10, 22. Пелехов В.Е., Анашкин О.П., Кейлин В.Е., Моряков В.П., Сурин М.И., Москва, 1982, 16 с.
Шлейфман В.Х., Сверхпроводящий соленоид для управляемой 29 транспортировки электронов к детектору при повышенном подавлении 32. Sungkeun Baang, Victor E. Keilin, Ivan A. Kovalev, Mikhael I Surin et al., фона, Приборы и техника эксперимента (ПТЭ), №3, Москва, 1990, The Background Magnets of the Samsung Superconductor Test Facility с. 177-181. (SSTF), IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.11, N1, March 2001, pp. 2082-2085.
23. V.E. Keilin, S.M. Miklyaev, M.I. Surin and S.A. Shevchenko, Superconducting Magnet Systems for Physical Research, Advances in 33. С.М. Микляев, М.И. Сурин, С.А. Шевченко, Компактная сильнопольная Cryogenic Engineering, Vol. 35, New York, 1990, pp. 547-554. сверхпроводящая магнитная система, Патент на полезную модель №46387, зарегистрировано 27 июня 2005 г.
24. V.E. Keilin, S.M. Miklyaev, M.I. Surin and S.A. Shevchenko, Superconducting Magnet System with Induction up to 16.2 T at 4.2 K, IEEE 34. V.E. Keilin, O.P. Anashkin, S.M. Miklyaev, S.A. Shevchenko, M.I. Surin Transactions on Magnetics, January 1992, Vol. 28, N1, pp. 794-796. et al., Development and Test results of Double 0.5 MJ SMES System, IEEE Transactions on Magnets, Vol. 32, N4, July 1996, pp. 2312-2315.
25. V.P. Agalakov, V.E. Keilin, M.I. Surin et al., Two 0.5 MJ Coils SMES SYSTEM Development and tes 35. Salunin N., Potanina L., Korpusov V., Gubkin M., Surin M., The NbTi wires with high current carrying capacity for laboratory magnets up to 9.5 T, 26. t results, The proceedings of the IEA Symposium on use of superconductivity Proceeding of ICMCТ06(23 ICMC) and 9th CRYOGENICS, Praha, 2006, pp.
in energy storage, Karsruhe, Germany, 25-27 Oct. 1994, pp. 141-149.
141-144.
27. S. Baang, V.E. Keilin, S.L. Kruglov, A.V. Rychagov, V.E. Sytnikov, M.I.
36. М.И. Сурин, В.Е. Кейлин, С.М. Микляев, С.А. Шевченко, Прототип Surin et al., The conductors of the 50 kA superconducting transformer for сверхпроводящего магнита для гиротрона на 170 ГГц, Приборы и SSTF, Physica C 354, 2001, pp. 105-109.
техника эксперимента (ПТЭ), 2008, №4, с. 154-158.
28. S. Baang, V.E. Keilin, M.I. Surin et al, Results of Preliminary Testing of Blip and Cancellation Coils for the Samsung Superconductor Test Facility (SSTF), IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 13, June 2003, pp.
1492-1495.
29. S. Baang, D.P. Ivanov, V.E. Keilin, S.M. Miklyaev, M.I. Surin et al., The Comparison of Active and Passive Cancellation Coils for SSTF, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol.12, N1, March 2002, pp. 508511.
30. Sungkun Baang, Victor E. Keilin, Ivan A. Kovalev, Sergey L. Kruglov, Mikhael I. Surin et al., The Superconducting Transformer of the Samsung Superconductor Test Facility (SSTF), IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 11, N1, March 2001, pp. 1494-1497.
31. М.И. Сурин, В.Е. Кейлин, С.М. Микляев, С.А. Шевченко., Сверхпроводящий соленоид с индукцией 17,7 Тл при 4,2 К, Труды Российского электротехнического конгресса, Москва, 1999, с. 97.