Автоматическое защитное устройство энергетических установок от превышения тока на джозефсоновских переходах

УДК 621.396.6

Д. М. Сергеев

АВТОМАТИЧЕСКОЕ ЗАЩИТНОЕ УСТРОЙСТВО ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ОТ ПРЕВЫШЕНИЯ ТОКА НА ДЖОЗЕФСОНОВСКИХ ПЕРЕХОДАХ

Рассмотрен вопрос о создании автоматического защитного устройства энергетических установок от превышения тока на джозефсоновских переходах.

Введение

Традиционные методы автоматической защиты энергетических установок от превышения тока имеют ряд недостатков: сложность схем, сравнительно большие габариты, даже иногда утеря защитной способности из-за выхода из строя радиоэлементов или микросхем. В данной работе рассмотрен вопрос о создании автоматической защиты энергоустановок от превышения тока на джозефсоновских переходах.

С открытием высокотемпературной сверхпроводимости (ВТСП) с критической температурой, большей, чем температура дешевого и доступного жидкого азота (77,3 К), бурно развивается разработка и применение новых технических устройств передачи, преобразования и сохранения энергии на сверхпроводимости [1-3]. Особенно расширились практические использования сверхпроводящих слабых связей (слабой сверхпроводимости), являющихся физическими объектами, в которых имеет место эффект Джозефсона [4].

Эффект Джозефсона

Под эффектом Джозефсона понимают совокупность явлений при протекании электрического тока через слабую связь между двумя массивными сверхпроводниками (слабой сверхпроводимости). Примерами таких связей являются: туннельный переход, узкий сверхпроводящий мостик (мостик Дайема), §-N-8 контакт (сверхпроводник - нормальный металл - сверхпроводник), точечный контакт и

др. [5-7].

Величина постоянного сверхпроводящего тока (сверхток) через сверхпроводящую слабую связь (джозефсоновский переход (ДП)) представляет собой периодическую функцию разности фаз волновых электродов ф = %1 -%2. В некоторых случаях зависимость сверхтока от джозефсоновской фазы описывается гармонической функцией:

Is = Ic sin ф,

ток, ф - разности фаз волновых электродов или джозефсоновская фаза.

При отсутствии тока через ДП ф = 0, а при протекании максимального сверхтока 13, равного 1С,

джозефсоновская фаза равна п/ 2. При протекании постоянного тока через ДП меньше критического 1С (I < 1С), напряжение на контакте равно нулю (рис. 1, а). Это явление носит название стационарный эффект Джозефсона. А при протекании через

переход тока больше критического 1С (I > 1С) появляется напряжение, равное

V =inRn ,

где К„ - нормальное сопротивление перехода (рис. 1, б). Это явление называется нестационарным эффектом Джозефсона.

Наиболее важной характеристикой ДП является вольт-амперная характеристика (ВАХ), представляющая зависимость среднего напряжения на переходе V от задаваемого через него тока I. Исследование ВАХ ДП является мощным инструментом изучения физических процессов, определяющих токо-перенос через такие контакты, так как ВАХ отражает внутреннюю динамику сверхпроводящих переходов. Изучения ВАХ слабой сверхпроводимости расширяет возможность применение джозефсонов-ских контактов в сверхпроводящей электронике.

При отсутствии емкости ВАХ ДП описывается выражением (3) и состоит из одной сверхпроводящей (V = 0) и из двух резистивных (V ф 0) ветвей (рис. 2):

V

Vc

= sign

' I ^2

v IC ,

-1

12

при

> Ic

где Vc , 1С - критические значения напряжения и тока.

где Is - сверхпроводящий ток, Ic - критичекий

© Д. М. Сергеев, 2008

Рис. 1. Эффекты Джозефсона: а - стационарный; б - нестационарный

3 2 1

V

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика джозефсоновского перехода

Принцип работы автоматического защитного устройства энергетических установок от превышения тока на джозефсоновских переходах

Предлагаемое автоматическое защитное устрой -ство основано на эффектах Джозефсона (рис. 1). Активным элементом данного защитного устройства является джозефсоновский переход. В зависимости от параметров энергоустановок определяются типы и параметры ДП. Значение критического тока

1С можно регулировать подбором геометрической протяженности перехода: чем больше геометрическая протеженность перехода, тем меньше значения

критического тока 1с. На рис. 3 приведена схема включения автоматического защитного устройства. При нормальном режиме работы устройства 2 (источник питания, предварительный каскад и т. п.) через активный элемент (ДП) протекает ток величиной, не превышающей установленного значения (I < 1с). Блок 3 - оконечное устройство или потребитель (защищаемое устройство). При отклонении величины выходного тока на сторону повышения

(I > 1С) на ДП наблюдается падение напряжения (2), которое поступает на управляющий блок 1. Управ -ляющий блок обусловливает понижение выходного тока и нормализирует работу блока 2.

При мгновенном многократном превышении величины тока сверхпроводящие слои активного элемента переходят из сверхпроводящего состояния в нормальное. При этом сопротивление активного элемента резко увеличивается [8].

Выводы

Предлагаемое автоматическое защитное устройство энергоустановок от превышения тока на джо-зефсоновском переходе имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными:

- повышение надежности защиты;

- увеличение быстродействия (реагирует на превышение тока быстрее 1/50 сек);

- отсутствие размыкающих контактов;

- простота устройства и малые габариты.

В перспективе для повышения надежности работы в качестве активных элементов защитных устройств возможно использование системы джозеф-соновских контактов.

Перечень ссылок

1. Шмидт В.В. Введение в физику сверхпроводников. - М.: Наука, 1982. - 238 с.

2. Лихарев К. К. Введение в динамику джозефсоновских переходов. - М.: Наука, 1985. - 302 с.

3. Бароне А., Патерно Дж. Эффект Джозефсона. Физика и применения. - М.: Мир, 1984.

4. Корнев В.К. Эффект Джозефсона и его применение в сверхпроводящей электронике // Соро-совский образовательный журнал. - Т. 7. - № 8. -2001. - С. 83-90.

5. Лихарев К.К. Сверхпроводящие слабые связи: стационарные процессы // УФН. - Т. 127. - Вып.

Рис. 3. Схема включения автоматического защитного устройства на джозефсоновских переходах:

1 - блок управления, 2 - предварительное устройство или источник питания, 3 - защищаемое устройство

2. - 1979. - С. 185-218.

6. Сергеев Д.М. Шункеев К.Ш. Моделирование вольт-амперной характеристики джозефсонов-ского перехода // Вестник Карагандинского университета. - № 1(49). - 2008.- С. 33-37.

7. Куприянов М.Ю., Лихарев К.К. Эффект Джо-зефсона в ВТСП // УФН. - Т. 160. - Вып. 5. -1990. - С. 49-87.

8. Сергеев Д.М. Сверхпроводящий прерыватель тока // Вестник двигателестроения, 2006.- № 2. - С. 29-31.

Поступила в редакцию 19.02.2008

Розглянуто питання про створення автоматичного захисного пристрою энергетичних установок eid завишеного току на джозефсоновських переходах.

The topic of producing automatic defensive of energy plants from current exceeding at Josephson's junctions is considered.