МАГНИТНАЯ СИСТЕМА С ДВУХСЕКЦИОННЫМ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫМ СВЕРХПРОВОДЯЩИМ МАГНИТОМ

Полезная модель относится к области электротехники, а более конкретно - к сверхпроводящим магнитным системам, используемым для создания магнитных полей, и может быть использована в промышленном и лабораторном оборудовании, в том числе установках ядерного магнитного резонанса.
3
Известна сверхпроводящая магнитная система [1], применяемая в установке ядерного магнитного резонанса, с двухсекционным магнитом, идентичные по конструкции секции которого расположены на одной оси с зазором для установки образца. На катушки соленоидов секций магнита наматывается провод из материала NbTi, создавая в зазоре между секциями магнитное поле величиной 7 Тл. Другая реализация этой магнитной системы использует намотку на катушки секций соленоида провода NbSn. Применение такого сверхпроводящего провода приводит к тому, что магнитное поле, создаваемое в зазоре для установки образца, достигает 14 Тл. Соответственно, описанная конструкция магнитной системы не позволяет получить в зазоре для установки образца магнитное поле величиной более 14 Тл.
3
Наиболее близким к заявленной полезной модели является сверхпроводящий магнит [2], взятый за прототип. Сверхпроводящий магнит состоит из двух секций, которые представляют из себя наборы коаксиальных соленоидов, вложенных один в другой, выполненные из низкотемпературных сверхпроводящих проводов. Катушки соленоида внешней секции сверхпроводящего магнита намотаны проводом из NbTi. Катушки соленоидов внутренней секции намотаны проводом сверхпроводника NbSn с большей критической температурой, чем NbTi, что необходимо для проводимости тока в сверхпроводящем состоянии в большем магнитном поле. Обе секции магнита подключены между собой последовательно, а далее через одну пару токовводов запитываются от внешнего источника тока. Максимальное магнитное поле, создаваемое данной магнитной системой, составляет 21.1 Тл. Система охлаждения магнитной системы выполнена в виде заливного криостата со сверхтекучим гелием при температуре 1.8 К, в который помещаются две коаксиальные секции магнита.
Однако такая конструкция не позволяет создавать магнитное поле величиной более 21.1 Тл, что позволило бы проводить исследования физических свойств материалов в более высоких магнитных полях. Кроме того, данная система является достаточно дорогостоящей в силу необходимости работы при низких температурах.
Технический результат направлен на расширение функциональных возможностей магнитной системы за счет возможности создания магнитного поля более 30 Тл, а также возможности работы магнитной системы при температуре более 4 К.
2
Этот результат достигается тем, что магнитная система с двухсекционным высокотемпературным сверхпроводящим магнитом, содержит криостат, в котором размещены две коаксиальных секции магнита - внешняя и внутренняя и система охлаждения. На катушку соленоида внешней секции магнита намотан провод из материала MgB, а на катушку соленоида внутренней секции магнита намотана лента ВТСП. Кроме того, она снабжена двумя парами токовводов, одна из которых подключена к внешней секции магнита, а другая - к внутренней соответственно.
2
2
2
2
Поле необратимости проводов из материала MgB, то есть минимальное поле, при котором критический ток сверхпроводника обращается в ноль, достигает магнитного поля в 29 Тл. Соответственно эффективно использовать такие провода для намотки на катушки соленоида, что определяется условием величины критического тока более 100 А, можно в магнитных полях менее 25 Тл. Таким образом, внешняя секция магнита, на катушку соленоида которой намотан провод из материала MgB, способна создавать магнитное поле не более 25 Тл. Для дальнейшего увеличения магнитного поля до величины в 30 Тл и выше необходимо использовать ВТСП ленты. Поле необратимости у лент ВТСП значительно превосходит 30 Тл, что позволяет использовать соленоиды с применением такого сверхпроводника для создания магнитов с магнитным полем более 30 Тл. Таким образом, внутренняя секция магнита создает дополнительное к первой секции магнитное поле более 5 Тл, одновременно экранируя от создаваемого магнитного поля внутренние витки внешней секции магнита, обеспечивая дополнительную защиту внешней секции магнита. Такое соотношение создаваемого поля между внутренней секцией из MgB и внешней секцией из ВТСП обусловлено тем, что создание соленоидов из ВТСП ленты осложнено значительной трудоемкостью намотки ленты ВТСП в виде набора двойных спиралей, а также значительной стоимостью проводника по сравнению с проводами из материала MgB. Эта особенность требует минимизации размеров внутренней секции магнита. Каждая из секций магнита подключена к внешнему источнику тока через отдельную пару токовводов, что обеспечивает необходимый уровень надежности работы магнитной системы, а также позволяет увеличивать поле во внутренней секции магнита с большей скоростью, за счет меньшей индуктивности соленоида. Таким образом, за счет выбранных параметров предложенная магнитная система позволяет с одной стороны достигать более высоких магнитных полей и, дополнительно, применять эту систему при более высоких температурах.
В частном случае, в качестве системы охлаждения магнита может быть использован криорефрежератор, что значительно уменьшает габариты магнитной системы и создает дополнительную возможность работать при температуре 4 К и более.
2
Конкретный пример устройства поясняется фигурой, на которой изображен: 1 - криостат магнитной системы, 2 - радиационный экран, 3 - криорефрижератор, 4 - внешняя секция магнита, на катушку соленоида которой намотан провод из материала MgB, 5 - внутренняя секция магнита, на катушку соленоида которой намотан провод из ленточного ВТСП, 6 - пара токовводов, питающая внешнюю секцию магнита, 7 - пара токовводов, питающая внутреннюю секцию магнита.
Устройство работает следующим образом. Двухсекционный магнит 4-5, помещенный в вакуумный объем криостата 1 магнитной системы и защищенный от лучистого теплоприттока медным радиационным экраном 2, охлаждается криорефрижератором 3. После полного охлаждения магнитной системы через отдельную пару токовводов 7 запитывается внешняя секция соленоида, создавая поле не более 25 Тл. Внутренняя секция магнита 5, обладающая меньшей индуктивностью, запитывается через отдельную пару токовводов 6 с большей скоростью, создавая дополнительное магнитное поле более 5 Тл, позволяя достигнуть суммарного магнитного поля более 30 Тл.
Таким образом, полезная модель позволяет расширить функциональные возможности магнитной системы за счет возможности создания магнитного поля более 30 Тл, а кроме того, работы магнитной системы при температуре более 4 К.
Источники информации:
1. М. Tsuchiya, Т. Wakuda, K. Maki, Т. Shiino, Н. Tanaka, N. Saho, Н. Tsukamoto, S. Kido, K. Takeuchi M. Okada, and H. Kitaguchi Development of Superconducting Split Magnets for NMR Spectrometer // IEEE Transactions On Applied Superconductivity - 2008 - Vol.18(2) - P. 840-843.
2. W. Denis Markiewicz, Iain R. Dixon, Charles A. Swenson, W. Scott Marshall, Robert P. Walsh, Thomas Painter, Steven van Van Sciver. Method of manufacturing a superconducting magnet. US 6735848 В1, МПК H01F6/00, H01F 41/04, приоритет от 24.09.1999, опубликовано 18.05.2004.