Каркас для сверхпроводящего соленоида
FRAME FOR A SUPERCONDUCTING SOLENOID

Уровень техники
Изобретение относится к сверхпроводящим магнитам, а именно к изготовлению сильноточных сверхпроводящих соленоидов, предназначенных для создания импульсных магнитных полей. Для ускорителей заряженных частиц, индуктивных накопителей энергии, перспективных систем на магнитной подушке и прочих разгонных устройств требуются магниты, создающие импульсные поля в несколько Тл (2 Тл и выше) в значительных объемах. Такие магниты должны:
1. Быть сверхпроводящими по соображениям энергоэффективности и длительности работы, причем, по соображениям стабильности в импульсных полях, желательно изготавливать их из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), также ВТСП позволит повысить поле и/или температуру в системе криогенного охлаждения по сравнению с низкотемпературными сверхпроводниками.
2. Иметь высокий рабочий ток (многократно превышающие максимальный ток единичного провода - ВТСП ленты) с целью снижения максимального индуктивного напряжения, что подразумевает применение ВТСП кабеля.
3. Не иметь в конструкции магнитных материалов, а также массивных проводящих частей - т.е. каркас должен быть полностью диэлектрический или с тонким металлическим армированием.
4. В то же время иметь каркас достаточно прочный, чтобы он, испытывая только упругую деформацию (поскольку число циклов работы может достигать многих миллионов) мог выдерживать механические напряжения в несколько сотен МПа.
5. Иметь опору ВТСП кабеля на каркас по всей поверхности кабеля в направлении действия на кабель пондеромоторных сил.
6. Иметь достаточно эффективное распределенное охлаждение, чтобы охлаждать в первую очередь ВТСП (компенсируя диссипацию энергии в сверхпроводнике в импульсных полях, при этом кабель необходимо применять транспонированный), и, кроме того, охладить диэлектрический каркас до криогенных температур равномерно и за разумное время.
В патентах (US Patent 9183970, Coated high-temperature superconducting wire and high-temperature superconducting coil including the same, Maeda et. al. и United States Patent 10049800, High-temperature superconducting coil and superconducting device, Daibo; Masanori, Chiba; Hiroshi) описаны различные способы создания ВТСП магнитов из единичной ленты, в том числе соленоидов, путем послойной или галетной намотки. Из единичной ВТСП ленты изготавливать импульсный магнит сколько-нибудь крупных размеров нецелессобразно по трем причинам. Во-первых, рабочий ток единичной ленты не превышает несколько сотен ампер - у импульсной обмотки будет слишком высокое индуктивное напряжение, и соответственно - требования к изоляции, к источнику питания. Во-вторых, высокая плотность тока при крупных габаритах предъявляет особые требования к прочности конструкции, которые бескаркасная обмотка не выдерживает, а каркасная - требует сложного охлаждения системы бандажей. И в-третьих, как раз и погружное, и косвенное охлаждение крупных обмоток из ВТСП лент осуществить трудно. В патенте (CN 201320225177 U 20130427, H01F 6/00; H01F 6/06, ZHANG QIANG, SHANGHAI UNITED IMAGING HEALTHCARE Co LTD, Solenoid coil bobbin and superconducting magnet system) частично решены первая и втораяпроблемы, за счет намотки сверхпроводящего провода на каркас в виде цилиндрических бобин (труб) с проточкой для фиксации провода, и дополнительной проточки для компенсации деформации. Данный способ не подходит для сильноточного кабеля в высоких магнитных полях, поскольку не предусмотрена опора на бандаж, т.е. на внешний относительно кабеля слой каркаса.
Ближе всего к рассматриваемой задаче (прототип) находится патент (US 9105396 В2, 11.08.15, Makoto Takayasu, Lexington, MA (US), Superconducting Flat Tape Cable Magnet), где для намотки в том числе и соленоидов применяется сильноточный ВТСП кабель прямоугольного сечения в виде стопки лент, в диэлектрическом каркасе с проточкой сложной формы. Как вариант исполнения заявлено применение каркаса круглой формы. Для крупных магнитов остаются не решенными: проблема охлаждения; возможность механических повреждений в сильных полях, поскольку передача сил Лоренца с кабеля на внешний бандаж создаст на кабеле слишком высокие локальные концентрации механических напряжений.
Раскрытие изобретения
Технической задачей изобретения является повышение эффективности охлаждения и прочности каркаса крупного импульсного ВТСП соленоида. Решение должно обеспечивать возможность создания соленоидов с габаритами порядка 1 м, длиной импульса порядка секунд, амплитудой поля 5-10 Тл, рабочей температурой 5-30 К, максимальным рабочим током 10-20 кА, с принудительным охлаждением жидким или газообразным гелием, жидким неоном или водородом. Охлаждение должно позволить компенсировать тепловыделение в кабеле, возможность охладить магнит за несколько часов от комнатной температуры до рабочей. Каркас должен выдерживать передаваемые ему кабелем механические напряжения в сотни МПа так, чтобы и кабель, и каркас испытывали только упругую деформацию и могли выдерживать принципиально не ограниченное число импульсов тока.
Удобным решением именно для крупных импульсных соленоидов было бы применение круглого транспонированного кабеля с каналом охлаждения внутри
- сверхпроводящие провода наматываются на трубку - и каркаса с полукруглыми проточками в нижней и верхней части бандажа, на которые кабель опирается всей поверхностью. Внешние трубы в этом случае должны надеваться (разрезные) или навинчиваться - более прочные неразрезные. Пример такого соленоида приведен на фигуре 1, где, на внутренних 6 из 16 слоев обмотки, не показан (сделан прозрачным для наглядности вида обмотки) каркас, а на сечении можно увидеть расположение кабеля в проточках труб каркаса.
Технический результат достигается за счет того, что каркас состоит из коаксиальных труб, количеством на одну больше, чем число слоев обмотки соленоида; трубы выполнены из композитов, изготовленных из армирующих волокон и связующего, устойчивого к криогенным температурам, при этом, армирующие волокна ориентированы в основном по окружности, а часть из них
- параллельно оси соленоида, в направлении действия основных сил в обмотке; применен круглый кабель из низкотемпературных или высокотемпературных сверхпроводящих проводов или лент, с каналом охлаждения внутри, для оптимального охлаждения ВТСП, компенсации выделения энергии в импульсных полях, равномерного охлаждения каркаса; во всех трубах выполнены спиральные проточки с полукруглым сечением, диаметром на припуск около 0.1 мм больше диаметра кабеля, для лучшей опоры кабеля на каркас; внутренняя труба имеет только внешнюю проточку, внешняя - только внутреннюю; на остальных трубах выполнены и внешняя, и внутренняя спиральная проточка; внешняя проточка трубы, внутренней по отношению к слою кабеля, и внутренняя проточка внешней по отношению к слою кабеля трубы образуют канал для кабеля; кабель намотан в проточку нижней трубы и приклеен модифицированным для криогенных применений наполненным компаундом холодного отверждения; внешние трубы навинчены на внутренние слои обмотки с таким же компаундом холодного отверждения
Описание фигур
Фигура 1 - трехмерная модель примера сверхпроводящего соленоида большого размера (диаметр 1.6 м) из круглого кабеля в многослойном диэлектрическом каркасе с круглыми проточками каркасе
Фигура 2 -
a) трехмерная модель 1 -го слоя каркаса многослойного соленоида;
b) трех первых слоев каркаса
c) трех слоев в разрезе.
Фигура 3 - результаты расчета
a) распределения амплитуды магнитного поля
b) распределения амплитуды и направления магнитного поля
c) распределение сил, действующих на каркас 5-слойного соленоида со стороны обмоток.
По оси Ζ - направление оси соленоида, по оси Υ - радиальное направление (круговая симметрия по оси Ζ), амплитуда поля или силы показана градацией серго цвета, направление поля или силы - векторами
Фигура 4 - фотографии 3-слойной модели сверхпроводящего соленоида с навинчивающимися диэлектрическими трубами каркаса
Фигура 5 - чертежи и трехмерные модели внутренней и внешней труб каркаса однослойного 6-виткового соленоида
a) внешняя труба в разрезе
b) трехмерная модель внешней трубы
c) чертеж внутренней трубы
d) трехмерная модель внутренней трубы
Фигура 6 - фотографии однослойного 6-виткового соленоида
a) в процессе изготовления и
b) после испытания в жидком азоте
Осуществление изобретения
Детали каркаса (трубы) изготавливаются путем намотки стеклоткани на оправку, с одновременной пропиткой связующим, либо намотки заранее пропитанной связующим стеклоткани. Затем производится полимеризация связующего (температурный режим зависит от вида связующего). Получившиеся трубы протачиваются по внешним и внутренним размерам, затем в них протачиваются внешние и внутренние канавки для кабеля.
Кабель наматывается на каркас на намоточном станке с натяжением от 300 до 1000 Η (в зависимости от размера и материала трубки). Каркас с кабелем промазываются эпоксидным компаундом, так же как и внешняя для данного слоя обмотки труба (изнутри). Внешняя труба навинчивается на слой обмотки, обеспечивая заполнение всех полостей и щелей в обмотке компаундом, и выдавливая лишний компаунд. После полимеризации компаунда таким же способом наматывается следующий слой. Поверх последнего слоя обмотки навинчивается (с компаундом) внешняя труба каркаса.
Охлаждение осуществляется путем подачи хладагента (жидкий, двухфазный или сверхкритический гелий, жидкий неон) под давлением в канал охлаждения - трубку кабеля. В многосекционном соленоиде возможна паралельная подача хладагента в каналы секций, с балансировкой на входе (выходе).
Примеры выполнения устройства
Для исследования применимости предложенной конструкции каркаса для сверхпроводящего соленоида было проведено математическое моделирование многослойного соленоида, его прототипирование, и экспериментальная проверка на однослойной обмотке из 6 витков.
В пакете SolidWorks построена трехмерная модель каркаса многослойного сплит-соленоида. В пакете ANSYS Maxwell произведен расчет распределения поля этого соленоида, а также сил, действующих на каркас со стороны обмотки. В данной модели число витков каждого слоя 34 (2 по 17), толщина слоя обмотки (кабеля) 7 мм, диаметры слоев обмотки - от 100 до 200 мм, высота обмотки 490 мм при величине зазора между половинами обмотки сплита в 50 мм, рабочий ток 12 кА. На фигуре 2 показана трехмерная модель каркаса трех из пяти слоев соленоида, на фигуре 3 - результаты моделирования (двумерного, с симметрией по оси Z) распределения магнитного поля и поверхностных сил со стороны обмотки на каркас 5-слойного соленоида. Расчеты распределения магнитного поля, сил и механических напряжений показывают, что каркас соленоида такого размера будет испытывать давление на площадь проточек в десятки атмосфер, из-за сил Лоренца в обмотке. Основным механическим напряжением в каркасе будет тангенциальная составляющая в десятки МПа, максимальная на внутренних слоях, бандажируемых при этом внешними слоями каркаса. Механические свойства кабелей данного типа и стеклопластиковых композитов позволят изготовить такой магнит, и применять его с полем на оси до 5 Тл, при рабочем токе до 12 кА. При этом деформация материалов каркаса и формера кабеля будет только упругой, что позволит осуществлять ввод и вывод поля в импульсном режиме неограниченное число раз.
По данной модели изготовлены детали каркаса, произведена намотка медной трубки и навинчивание (с двух сторон) внешних труб каркаса, для трех слоев - таким образом, показано, что намотка соленоида данной конструкции технологически осуществима. Фото модели приведены на фигуре 4.
Пример одного из возможных вариантов исполнения каркаса сверхпроводящего соленоида проиллюстрирован фигурами 5 и 6. На фигуре 5 показаны чертежи каркаса, а на фигуре 6 - фотографии однослойного шестивиткового соленоида в процессе намотки и после испытания. Диаметр обмотки 100 мм, ее высота 95 мм. Соленоид намотан ВТСП кабелем, состоящим из 12 ВТСП лент (4 слоя) на трубке диаметром 5.7 мм. Импрегнирование осуществлялось наполненным эпоксидным компаундом холодного отверждения «криосил». После замоноличивания соленоид был охлажден до температуры 78 К жидким азотом, и в него многократно вводился ток амплитудой до 1250 А. Ниже этого тока соленоид оставался в сверхпроводящем состоянии. С учетом собственного поля соленоида и разброса значений критического тока ВТСП лент, данный эксперимент показывает пригодность конструкции каркаса для изготовления сверхпроводящих соленоидов - деградации сверхпроводника при изготовлении и охлаждении соленоида практически не произошло.