СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ ПРОВОД

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в устройствах, предназначенных для работы при температурах жидкого гелия, в частности, для сверхпроводящих магнитов, используемых в магнитно-резонансных томографах (МРТ).
Конструкция композитного проводника помимо непосредственно сверхпроводящих волокон обязательно включает стабилизирующий материал с хорошей электрической и тепловой проводимостью для компенсации неконтролируемого фазового изменения из сверхпроводящего в нормальное состояние, а также простого отвода генерированного тепла, возникающего за счет трения, вихревых токов и т.д. Обычно для устройств МРТ и ЯМР (ядерно-магнитного резонанса) в конструкциях сверхпроводников используют высокочистую бескислородную медь.
Основное требование к магнитам для МРТ и ЯМР устройств - обеспечение высокой стабильности индукции магнитного поля. Для достижения высокой стабильности важно минимизировать электрическое сопротивление провода, генерируемое в режиме постоянного тока. Известно, что в этом случае значение сопротивления определяется через характеристики провода, как следует из уравнения (1).
op
c
c
где V - генерируемое напряжение (В), J - плотность рабочего тока (А), J - плотность критического тока (А/мм), V - референсное значение напряжение для определения критического тока (В), n - показатель резистивности.
c
op
Показатель резистивности n характеризует крутизну перехода из сверхпроводящего состояния в состояние нормальной проводимости, и очень важно, чтобы для обеспечения высокой стабильности магнитного поля, провод имел достаточно высокую плотность критического тока J и значение показателя n сравнительно с плотностью рабочего тока J.
c
Поскольку значение показателя n экспоненциально связано с генерируемым значением напряжения в сверхпроводящем проводе, то оно возрастает пропорционально критической плотности тока J, эффективно воздействуя на стабильность магнитного поля. Если значение n мало, то обеспечение стабильной работы магнита требует снижения плотности рабочего тока, что приводит к неизбежному увеличению количества использованного для намотки магнита провода, и, соответственно, увеличению размеров магнита.
Известен сверхпроводящий провод, который содержит медную матрицу и множество волокон из NbTi сплава, имеющих круглое или прямоугольное поперечное сечение, причем волокна из NbTi сплава расположены симметрично, а отношение площади поперечного сечения медной матрицы к общей площади волокон из NbTi сплава находится в интервале от 3 и выше ([1], патент JPH 0210612 A, кл. H01B 13/00, 16.01.1990).
Известен также сверхпроводящий провод, который содержит медную матрицу и множество волокон из NbTi сплава, причем отношение площади поперечного сечения медной матрицы к общей площади волокон из NbTi сплава находится в интервале от 6 до 8, NbTi волокна имеют средний диаметр от 3 до 20 мкм и расположены от 0,3 d до 0,9 d, где d представляет собой наружный диаметр провода ([2], заявка JP 2002-304924 A, кл. H01B 13/00, опубликовано 18.10.2002).
Обычно NbTi сверхпроводящие провода, используемые для МРТ или ЯМР магнитов, включают волокна с диаметром 50-100 мкм, т.е. заметно большим, чем указанные в отмеченных работах, поскольку нет необходимости возбуждения магнита с высокой скоростью.
Условия стабилизации требуют содержания меди 5 к 1 по отношению к сверхпроводящей составляющей. Равномерное распределение волокон по сечению приведет к увеличенному межволоконному расстоянию, что в свою очередь может привести в условиях традиционно используемых режимов обработки давлением сверхпроводящих NbTi композитных заготовок и впоследствии проводов к переменному поперечному сечению волокон по длине провода («сосисочность»), с чем будет связано снижение технических характеристик и даже обрывность провода.
Известен сверхпроводящий провод, взятый за прототип, имеющий круглое или прямоугольное поперечное сечение, который содержит медную матрицу и множество волокон из NbTi сплава, причем отношение площади поперечного сечения медной матрицы к общей площади волокон из NbTi сплава находится в интервале от 5,0 до 15,0, NbTi волокна имеют средний диаметр (d) от 30 до 200 мкм, а отношение межволоконного расстояния (s) между NbTi волокнами к среднему диаметру (d) NbTi волокна - (s/d) находится в диапазоне 0,10 до 0,40 ([3], патент EP 2071590 A1, кл. H01B 12/10, опубликовано 17.06.2009).
Предложенные требования к конструкции допускают получение провода с высокими характеристиками, но в предложенном условии 0,1<s/d<0,4 может возникнуть комбинация с пониженным межволоконным расстоянием, что отрицательно скажется на электропроводности провода, особенно при криогенных температурах, и, следовательно, на его стабильности.
Таким образом, задача настоящей полезной модели заключается в повышении стабильности без снижения других технических и технологических характеристик.
273K
10k
Техническим результатом предложенного сверхпроводящего провода является подавление размерного эффекта и, соответственно, увеличение параметра R/R NbTi провода, что обеспечивает его надежную тепловую и электрическую стабилизацию.
Технический результат достигается тем, что сверхпроводящий провод, имеющий круглое или прямоугольное поперечное сечение, содержащий медную матрицу и множество волокон из NbTi сплава, причем отношение площади поперечного сечения медной матрицы к общей площади волокон из NbTi сплава находится в интервале от 5,0 до 15,0, NbTi волокна имеют средний диаметр (d) от 30 до 200 мкм, при этом все волокна провода, либо их часть имеют отношение межволоконного расстояния (s) между NbTi волокнами к среднему диаметру (d) NbTi волокна - (s/d) выше 0,40.
В частном случае реализации полезной модели отношение межволоконного расстояния (s) к среднему диаметру (d)-(s/d) для NbTi волокон, расположенных в одном ряду, и отношение для близлежащих NbTi волокон, расположенных в разных рядах, различно.
На фиг. 1 (а, б, в, г) представлены варианты сверхпроводящего провода при однорядном расположении сверхпроводящих волокон в медной матрице.
На фиг.2 (а, б, в) представлены варианты сверхпроводящего провода при двурядном расположении сверхпроводящих волокон в медной матрице.
На фиг. 3 представлено сечение готового сверхпроводящего провода. Сверхпроводящий провод, имеющий круглое (фиг. 1-3) или прямоугольное поперечное сечение (на фиг. не показано), содержит медную матрицу 2 и множество волокон 1 из NbTi сплава. Отношение площади поперечного сечения медной матрицы 2 к общей площади волокон 1 из NbTi сплава находится в интервале от 5,0 до 15,0. NbTi волокна 1 имеют средний диаметр (d) от 30 до 200 мкм. Все волокна сверхпроводящего провода, либо их часть имеют отношение межволоконного расстояния (s) между NbTi волокнами 1 к среднему диаметру (d) NbTi волокна 1 (s/d) выше 0,40. В случае многорядного расположения волокон 1 (фиг. 2, а-в) отношение межволоконного расстояния (s) к среднему диаметру (d)-(s/d) для NbTi волокон, расположенных в одном ряду, и отношение (s/d) между NbTi волокнами, расположенных в разных рядах, может быть различным.
237K
10K
Данное отношение (s/d)>0,4 выбрано именно таким, исходя из следующих выводов. При криогенных температурах электрическое сопротивление провода определяется, в основном, сопротивлением медной матрицы, изготовленной из высокочистой меди, поскольку электрическим сопротивлением NbTi волокон, сопротивление которых на три порядка выше электросопротивления медной матрицы, можно пренебречь. Электрическое сопротивление матричной меди при криогенных температурах характеризуется относительным остаточным электросопротивлением, т.е. отношением сопротивлений при температурах 273 K и 10 K (R/R).
o
273K
10K
Известно, что при криогенных температурах, при соизмеримости межволоконных расстояний (s) с длиной свободного пробега электрона в меди (λ) возникает размерный эффект, приводящий к относительному приросту электросопротивления межволоконной меди и соответствующему уменьшению относительного остаточного электросопротивления R/R провода.
Для описания зависимости электрического сопротивления провода от поперечных размеров медной составляющей, на основе анализа научных публикаций, была использована модель Зондгеймера с учетом параллельного включения проводников:
oi
o
i
где ρ - удельное электрическое сопротивление объемной меди (Ом×м); λ - длина свободного пробега электрона (мкм); s - межволоконное расстояние (мкм), X - объемная доля меди в проводе с данным межволоконным расстоянием.
o
273K
10K
Локальное увеличение межволоконных расстояний (s) приводит к уменьшению величины λ/s с соответствующим уменьшением удельного сопротивления матричной меди (ρ) и увеличением параметра R/R.
273K
10K
Взаимосвязь параметра R/R с удельным сопротивлением меди (ρ) устанавливается на основании правила Маттиссена:
,
ид
-8
где ρ(t) - идеальное удельное электрическое сопротивление, зависящее только от температуры и равное 1,56×10 Ом×м при температуре 273 K;
o
273K
10K
ρ - остаточное удельное электрическое сопротивление (Ом×м), не зависящее от температуры (для меди при температуре ниже 15 K). Отсюда R/R может быть выражено следующим образом:
,
o
273K
10K
Изменение удельного остаточного сопротивления (ρ) и R/R, происходящее за счет дополнительного рассеяния электронов проводимости на границе раздела волокон и матричной меди, обусловлено соотношением λ/s т.е. соизмеримостью длины свободного пробега электрона и межволоконных расстояний.
Длина свободного пробега электрона определяется через физические константы металла следующим образом:
-3
-1
-1
-1
где n - концентрация (м), e - заряд (Кл), m - масса электрона (кг), V - скорость электрона (м×с), λ, - длина свободного пробега электрона (мкм); σ=ρ - проводимость металла (Ом×м).
o
273K
10K
273K
10K
o
Относительное увеличение удельного сопротивления провода ρ/ρ (и снижение R/R), обусловленное его конструкцией при использовании исходной меди с R/R=300 единиц и значением λ=12 мкм, соответственно формуле (4), приведено в таблице 1.
Таблица 1 показывает характеристики конструкций и расчетное изменение электропроводности матричной меди предлагаемого сверхпроводящего провода и прототипа. В данном расчете предполагалось, что для всех типов проводов 60 об % меди находится вне волоконной зоны.
В предлагаемом сверхпроводящем проводе увеличено отношение (s/d)>0,4 за счет перераспределения части или всех сверхпроводящих волокон 1 (количество и диаметр волокон остаются без изменений). Увеличение данного соотношения происходит только за счет локального увеличения межволоконных расстояний (s) при сохранении прежнего диаметра волокна (d).
273K
10K
В результате перераспределения регулярного расположения NbTi волокон, введения элементов "объемной" меди и снижения доли межволоконных прослоек, увеличивается доля объемной меди с s>>λ, что приводит к уменьшению сопротивления медной составляющей в целом и, соответственно, увеличению стабильности магнитного поля. Таким образом, видно, что решена поставленная задача полезной модели. Отсюда следуют преимущества сверхпроводящего провода: подавление размерного эффекта и, соответственно, увеличение параметра R/R NbTi провода, что обеспечивает его надежную тепловую и электрическую стабилизацию.
Для предупреждения появления переменного сечения волокон по длине провода («сосисочность») в условиях повышенных межволоконных расстояний в процессе экструзии и развития негативного процесса во время дальнейшего волочения существуют конкретные термомеханические условия обработки давлением композитной заготовки и провода, связанные с определенными скоростными и температурными условиями, гарантирующие стабильность процесса деформирования.
Пример конкретного выполнения.
На фиг. 3 представлено сечение готового сверхпроводящего провода диаметром 1,345 мм, где часть волокон11 (внутренний ряд) имеет отношение s/d=0,74. Технические характеристики следующие: для индукции магнитного поля 5 Тл при объемной доле сверхпроводящей составляющей в 20,8% (отношение Cu/nonCu=3,8:1) критический ток составляет 790 А при 0,1 мкВ/см и соответственно 817 А при 1 мкВ/см.