СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КРИТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГИБКИХ ОБРАЗЦОВ СВЕРХПРОВОДНИКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MEASURING THE CRITICAL PARAMETERS OF FLEXIBLE SAMPLES OF A SUPERCONDUCTOR AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Область техники
Изобретение относится к способам и устройствам для измерения магнитных и механических величин, а конкретно к исследованиям электрофизических свойств сверхпроводящих материалов, включая, прежде всего, высокотемпературные ленточные материалы.
Уровень техники
Основной характеристикой любого сверхпроводника, которая позволяет оценить его возможности, является критический ток - ток, протекающий по сверхпроводнику, при котором материал начинает переходить из сверхпроводящего состояния в нормальное. Критический ток показывает максимальный транспортный ток в сверхпроводнике в заданных условиях. Оценка критического тока - необходимая процедура перед проектированием любого сверхпроводящего электротехнического устройства, которая выполняется в обязательном порядке.
Помимо свойств самого сверхпроводящего провода критический ток зависит также и от внешних факторов: от внешнего магнитного поля, механического воздействия и деформации, температуры. Поэтому в зависимости от проектируемого электротехнического устройства необходимо провести анализ влияния всех факторов на критический ток сверхпроводника. Такие исследования проводят, прежде всего, на коротких образцах сверхпроводника.
Известен способ измерения критического тока короткого образца в собственном поле при различных механических напряжениях, в которых фиксируется транспортный ток, механические напряжения в образце и деформация сверхпроводниковых образцов [1].
Недостатком данного способа является отсутствие внешнего магнитного поля, влияющего на величину критического тока сверхпроводника.
Известен способ контроля критического тока сверхпроводника и устройство для его осуществления, заключающийся в том, что испытуемый образец, способный создавать собственное магнитное поле, размещают во внешнем магнитном поле, увеличивают ток через образец до перехода последнего в нормальное состояние и в этом состоянии фиксируют величину тока, одновременно с изменением тока образца изменяют величину внешнего магнитного поля [2].
Однако такой способ измерения не включает исследования влияния механических напряжений в сверхпроводнике на его критический ток.
Известен способ измерения критического тока сверхпроводника, заключающийся в том, что по сверхпроводнику, находящемуся в магнитном поле, пропускают транспортный ток в направлении перпендикулярном полю, и в момент появления падения напряжения измеряют величину критического тока, при этом сверхпроводник размещают между полюсами магнитной системы, создающей в его локальном объеме пятно магнитного потока, и измеряют величину критического тока этой локальной области для данного значения индукции [3].
Однако и такой способ измерения не включает исследования влияния механических напряжений в сверхпроводнике на его критический ток.
Все указанные способы измерения критического тока сверхпроводника и устройства для их осуществления не включают одновременно при этом приложения к сверхпроводнику внешнего поля и механических напряжений.
Раскрытие сущности изобретения Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение информативности получаемых данных при испытаниях сверхпроводниковых образцов, позволяющих определить основные параметры сверхпроводников.
Техническим результатом заявленного изобретения является возможность определения взаимозависимости одновременно трех параметров: критического тока, внешнего магнитного поля и растягивающих механических напряжений, действующих на сверхпроводник.
Для достижения технического результата предложен способ измерения критических параметров гибких образцов сверхпроводника, заключающийся в том, что по образцу сверхпроводника, концы которого присоединены к токовводам, находящемуся во внешнем магнитном поле, пропускают транспортный ток в направлении, перпендикулярном полю, и в момент появления падения напряжения измеряют величину критического тока, при этом токовводы жестко закрепляют на оправке с дугообразной поверхностью с радиусом дуги R или штанге, образцу сверхпроводника придают форму дуги радиуса R, размещают образец во внешнем магнитном поле так, что плоскость дуги перпендикулярна вектору напряженности внешнего магнитного поля, пропускают транспортный ток, причем направление транспортного тока, пропускаемого по образцу выбирают так, что сила Ампера направлена в сторону выпуклости дуги, затем по величине индукции внешнего магнитного поля В, величине транспортного тока I, радиусу дуги R и поперечному сечению образца s дополнительно определяют механические напряжения от действия силы Ампера по формуле B⋅I⋅R/s.
Так же предложено предложено устройство для измерения критических параметров гибких образцов сверхпроводника содержащее магнитную систему, в поле которой установлен образец сверхпроводника, токовводы, подсоединенные к концам образца, систему крепления образца сверхпроводника, при этом содержащее штангу с жестко закрепленной на ней оправкой с дугообразной поверхностью с радиусом дуги R к которой прилегает гибкий образец сверхпроводника выполненный в виде дуги того же радиуса с защемленными концами, к которым подсоединены жестко закрепленные на оправке или штанге токовводы, при этом плоскость дуги образца сверхпроводника перпендикулярна вектору напряженности внешнего магнитного поля, токовводы в местах соединения с концами образца сверхпроводника имеют радиус скругления меньший чем радиус R.
Наличие дугообразной оправки обеспечивает точность выполнения радиуса дуги, на котором устанавливается короткий образец и упрощается монтаж образца в устройстве, а также появляется возможность определить величину критического тока образца исключая механические напряжения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 и 2 показано устройство для измерения критических параметров гибких образцов сверхпроводника, где:
1 - короткий образец сверхпроводника;
2 - дугообразная оправка;
3 - полюса магнитной системы;
4 - тоководы;
5 - изоляционная прокладка;
6 - штанга.
Осуществление изобретения
Как известно, на прямолинейный проводник с током I длиной L, помещенный в магнитное поле перпендикулярно вектору индукции В, действует сила Ампера равная по модулю произведению B⋅I⋅L и направленная перпендикулярно проводнику и вектору магнитного поля.
Если образец сверхпроводника имеет форму дуги с радиусом R и расположен во внешнем магнитном поле так, что плоскость дуги перпендикулярна вектору напряженности внешнего магнитного поля, а сила Ампера направлена в сторону выпуклости дуги, то в образце с жестко закрепленными концами, возникает сила растяжения равная по модулю произведению B⋅I⋅R. При этом сила растяжения, действующая на гибкий образец сверхпроводника, превышать силу Ампера в R/L раз.
Например, если длина образца сверхпроводника составляет 5 сантиметров, а радиус дуги образца - 50 сантиметров, то сила растяжения, действующая на образец, в 10 раз превышает силу Ампера.
Способ измерения критических параметров (критического тока и критических механических напряжений растяжения в данном магнитном поле) гибких образцов сверхпроводника заключается в том, что по образцу сверхпроводника, находящемуся во внешнем магнитном поле, пропускают транспортный ток в направлении перпендикулярном полю, и в момент появления падения напряжения измеряют величину критического тока, при этом, токовводы, жестко закрепляют между собой, образцу сверхпроводника придают форму дуги радиуса R, размещают образец во внешнем магнитном поле так, что плоскость дуги перпендикулярна вектору напряженности внешнего магнитного поля, пропускают транспортный ток, причем направление транспортного тока, пропускаемого по образцу выбирают так, что сила Ампера направлена в сторону выпуклости дуги, затем по величине индукции внешнего магнитного поля В, величине транспортного тока I, радиусу дуги R и поперечному сечению образца s дополнительно определяют величину растягивающего механического напряжения, действующего на образец сверхпроводника по формуле: B⋅I⋅R/s.
Заявляемое устройство включает в себя образец гибкого сверхпроводника 1, прилегающий к дугообразной оправке 2 с радиусом дуги R. Образец сверхпроводника размещен между двух полюсов 3 магнитной системы, изготовленной из постоянных магнитов на основе Nd-Fe-B. Концы короткого образца припаяны к двум медным токовводам 4 подключенным к источнику напряжения с радиусами скруглений r в местах спая. Величина радиусов r всегда выбирается меньше радиуса R, но больше минимально допустимого для данного вида сверхпроводника. Между токовводами 4 и дугообразной оправкой 2 установлены изоляционные прокладки 5, которые в местах прилегания к образцу 1 выполнены с радиусом r. Все элементы конструкции жестко скреплены между собой и установлены в криостате с жидким хладагентом (на фиг. 1 и 2 не показан). Дугообразная оправка 2 укреплена на штанге 6 (например, резьбовым соединением), выходящей из криостата в наружную теплую зону. Так же к штанге 6 могут крепятся оба токоввода 4 также выходящих из криостата в наружную теплую зону. Токовводы так же могут крепиться к оправке 2 или и к оправке 2 и к штанге 6.
Примеры реализации.
-6
2
Берем гибкий ленточный высокотемпературный образец сверхпроводника шириной 4 мм и толщиной 0,1 мм, при этом поперечное сечение образца составляет 0,4⋅10 м. Придаем образцу изгиб радиуса 0,3 метра (радиус дуги). Помещаем его во внешнее магнитное поле 1,5Тл, создаваемого постоянными магнитами. Пропускаем по образцу транспортный ток и фиксируем, что в момент достижения 1000А на образце появилось падение напряжения. Теперь рассчитываем (пренебрегая изменением радиуса R за счет деформации образца) растягивающее механическое напряжение:
-6
s=1,5·1000⋅0,3/0,4⋅10=1125МПа
Итак, в результате эксперимента получаем, что во внешнем магнитном поле 1,5Тл, критический транспортный ток в направлении перпендикулярном полю равен 1000А, при этом растягивающее механическое напряжение составляет 1125 МПа. Такое механическое напряжение, как известно, превышает или может превышать предел прочности многих сортов стали.
Таким образом, предложенное техническое решение способно создать предельные механические напряжения в образце гибкого сверхпроводника без использования специальных устройств для этого.
Полученные данные можно использовать при проектировании сверхпроводящих магнитных систем в модели свободного витка. При этом радиус r берется меньше радиуса дуги R, но всегда больше допустимого радиуса изгиба, что в настоящий момент для большинства ленточных ВТСП составляет 15 мм. Радиус R выбирается тем больше, чем большую растягивающую силу необходимо приложить к образцу, предпочтительно выбирается близкий к радиусу проектируемой обмотки, который может достигать полуметра и более.
Отличительной особенностью данного предложения является то, что растягивающая сила не зависит от длины исследуемого образца сверхпроводника, что в свою очередь, важно для размещения образца в магнитном поле при ограниченном межполюсном пространстве.
Если же, на первом этапе эксперимента пропустить транспортный ток в обратном направлении, то сила Ампера, действующая на образец гибкого сверхпроводника 1 с током, будет направлена с сторону дугообразной оправки 2, что предохранит образец гибкого сверхпроводника 1 от растягивающих усилий так как он будет опираться на дугообразную оправку 2. В этом случае мы получим критический транспортный ток без воздействия механических усилий на образец гибкого сверхпроводника 1.
Таким образом, заявленный способ позволяет определить взаимозависимость одновременно трех параметров: критического тока, внешнего магнитного поля и растягивающих механических напряжений, действующих на сверхпроводник. Кроме того, в том же устройстве можно определить величину критического тока без воздействия механических усилий на образец гибкого сверхпроводника.
Именно такое заявленное взаимное расположение деталей устройства, форма исследуемого сверхпроводящего образца, выбор направления транспортного тока и вектора напряженности внешнего магнитного поля позволяют определить критическую величину транспортного тока, предельную величину механических растягивающих напряжений в конкретном внешнем магнитном поле.
Сравнение заявленных технических решений с другими решениями в данной области техники показывает, что признаки, у заявляемых решений иные, в отличие от известных, к числу которых можно отнести следующие:
- конструкция дает возможность измерять критические токи с приложением предельных механических напряжений без дополнительных приспособлений (усовершенствований);
конструкция предусматривает возможность исследовать параметры образца и без приложения механических напряжений;
- способ определения величины механических напряжений весьма прост.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. А.В. Кривых, А.В. Поляков. Электромеханические свойства ВТСП-2 проводов с лентой-подложкой из нержавеющей стали AISI 310S при температурах жидкого гелия и азота. ВАНТ, Сер. Термоядерный синтез, 2020, т.43, вып. 3, с 41-46.
2. Способ контроля критического тока сверхпроводника и устройство для его осуществления. А.с. №966605 от 28.02.1980.
3. Способ измерения критического тока сверхпроводника. Патент RU 2156980 от 23.02.1999.
4. Uglietti D., Seeber В., Abacherli V., Pollini Α., Eckert D., Flukiger R. Supercond. Sci.technol., 2003, vol. 16, p. 1000-1004.