КОМПАКТНАЯ СИЛЬНОПОЛЬНАЯ СВЕРХПРОВОДЯЩАЯ МАГНИТНАЯ СИСТЕМА

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к области прикладной сверхпроводимости, и может быть использовано при эксплуатации магнитов с сильными полями и высокой плотностью тока.
Известно техническое решение, основанное на использовании пассивной схемы защиты секционированием суть которой заключается в том, что параллельно последовательно соединенным секциям сверхпроводящей магнитной системы (CMC) включаются активные сопротивления (Сверхпроводящие магниты. М.Уилсон, Москва, Мир, 1985 г., с.273). Хотя данное решение широко используется на практике, но до сих пор нет достаточного обоснования диапазона его применения. В CMC с большой плотностью запасенной энергии вследствие больших скоростей изменения токов в секциях CMC данное устройство не спасает от внутренних пробоев сверхпроводящего провода. Из CMC с большой плотностью запасенной энергии в схемах с секционированием на разрядные шунты удается вывести только 3-5% запасенной энергии, что приводит к большим температурным деформациям внутри системы.
Наиболее близким то технической сущности и достигаемому эффекту является компактная сильнопольная сверхпроводящая магнитная система, описанная в (Сборник трудов по прикладной сверхпроводимости, том 12, №1, март 2002 г., с.484). Устройство состоит из отдельных секций CMC, которые наматываются на каркасы, выполненные из нержавеющей стали и соединяются последовательно друг с другом. Параллельно каждой секции подсоединены разрядные элементы, расположенные внутри криостата. В качестве разрядных элементов 2 используют активные сопротивления. Начало первой секции и конец последней подключены к источнику питания.
Однако к недостаткам прототипа можно отнести следующее: большая плотность запасенной энергии приводит к тому, что переход CMC в
нормальное состояние происходит очень интенсивно. Практически вся запасенная энергия (более 95%) за короткое время (0.2-2 С) выделяется в активном объеме магнита, что приводит к значительному градиенту изменения тока и неравномерному разогреву материала обмотки. В результате чего возникают большие электрические и механические напряжения, являющиеся основными причинами повреждения магнитов. Особенно очень сильно увеличивается вероятность повреждения секций в компактных CMC, где плотность запасенной энергии значительно возрастает.
Задачей полезной модели является сильнопольная сверхпроводящая магнитная система, обладающая меньшими электрическими и механическими напряжениями в секциях после перехода CMC в нормальное состояние.
Поставленная задача решается предлагаемой компактной сильнопольной сверхпроводящей магнитной системой, содержащей отдельные соединенные последовательно друг с другом секции, намотанные на каркасы из нержавеющей стали, разрядные элементы, подсоединенные параллельно каждой секции, с возможностью расположения внутри криостата, источник питания, которая дополнительно снабжена медным экраном, расположенным на металлическом каркасе из нержавеющей стали поверх секций и соосно с последними. Экран может быть выполнен в виде трубы или в виде короткозамкнутых колец.
Заявляемая компактная сильнопольная сверхпроводящая магнитная система представлена на фиг.1; на фиг.2 приведена электрическая схема устройства.
Устройство состоит из отдельных индуктивных секций 1 CMC, которые намотаны на каркасы, выполненные из нержавеющей стали и соединены последовательно друг с другом. Параллельно каждой секции подсоединены разрядные элементы 2, расположенные внутри криостата. В качестве разрядных элементов 2 используются активные сопротивления. Начало первой секции и конец последней подключены к источнику питания
3. Поверх системы соосных индуктивных секций 1 CMC смонтирован массивный короткозамкнутый медный экран 4, расположенный на нержавеющей трубе 5. Нержавеющая труба 5 служит для дополнительного бандажа медного экрана 4 и препятствует его механической деформации в момент перехода CMC в нормальное состояние.
Устройство работает следующим образом:
в процессе заведения тока или в рабочем состоянии практически весь ток CMC течет через последовательно соединенные секции CMC 1. После начала перехода одной из секций CMC в нормальное состояние в медном экране 4 начинают наводятся токи, препятствующие изменению магнитного потока секций CMC. Медный экран 4 имеет хорошую индуктивную связь с секциями 1 CMC, малую величину собственной индуктивности, большое сечение меди, хорошее охлаждение (экран погружен в жидкий гелий). Медный экран обладает способностью длительное время сохранять низкую скорость изменения полного потока в магнитной системе CMC. Небольшая скорость изменения полного потока в магнитной системе CMC приводит к тому, что замедляется скорость распространения нормальной зоны в той секции CMC, которая переходит в нормальное состояние. Так как медный экран 4 практически полностью блокирует электромагнитную лавину, то остальные секции CMC не переходят в нормальное состояние и плавно выводят свою запасенную энергию (до 30-40% всей запасенной энергии) на разрядные элементы.
Устройство было разработано, изготовлено и испытано в CMC с рабочей индукцией 17 Тл (запасенная энергия составила 1 мДж). Было осуществлено два перехода CMC: с внешним короткозамкнутым медным экраном и без него. Было показано, что в заявляемом техническом решении общее время процесса перехода секций CMC в нормальное состояние увеличивается в 20-100 раз и как следствие уменьшаются внутренние индуктивные электрические напряжения в системе. Кроме того из секций CMC удается вывести около 30-40% всей запасенной энергии, за счет чего
существенно снижаются тепловые механические напряжения в системе. Повреждений секций CMC не наблюдалось.
Таким образом заявляемая компактная сильнопольная сверхпроводящая магнитная система представляется очень перспективной и может быть рекомендована для работы CMC с высокой плотностью запасенной энергии.