ЛЕНТОЧНЫЙ СОЛЕНОИД
RIBBON SOLENOID

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в магнитных фокусирующих системах ускорителей заряженных частиц и в мощных импульсных электромагнитах.
2
Известен соленоид с магнитной индукцией 25 Тл (G.M.Cooper, J.McLean, R.Davitt. The application of pulsed axial magnetic fields in focusing of relativistic electron beams. Материалы конференции «Megagauss-9». Россия. Саров. 2004. Под ред. В.Д.Селемира и Л.Н.Пляшкевича. С.107-111). Соленоид для магнитного фокусирующего устройства наматывается виток к витку в несколько слоев прочным проводом прямоугольного сечения 2×3 мм и содержит около 100 витков. Каждый слой катушки обматывается специальной особо прочной нитью (из арамидного волокна, другое название - Kevlar) и пропитывается эпоксидным компаундом. Недостаток такой конструкции в том, что многовитковый проволочный соленоид обладает значительной индуктивностью, что влечет необходимость высоковольтной (≈22 кВ в рассматриваемой работе) конденсаторной батареи для сокращения периода возбуждения тока и уменьшения нагрева провода. Технология изготовления достаточно трудоемкая с использованием дорогостоящих материалов.
Известен соленоид, используемый объединенной группой из Левенского университета (K.U.Leuven, Бельгия) и Российского научного центра «Курчатовский институт» (А.С.Лагутин, К.Россель, Ф.Герлах, И.Бренсераде. «Разработка пользовательского импульсного соленоида на 75 Тесла». Материалы конференции «Megagauss-9». Россия. Саров. 2004. Под ред. В.Д.Селемира и Л.Н.Пляшкевича. С.86-89). Соленоид наматывается 8-ю слоями по 12 витков прочного специального провода сечением 2×3,5 мм. Каждый слой дополнительно упрочняется обмоткой высокопрочной диэлектрической нитью из материала с торговой маркой «Zylon». Имеется также общий внешний бандаж из композитного материала на основе углеродного волокна. Соленоид достаточно сложен и дорог в изготовлении, обладает повышенной индуктивностью, требует охлаждения жидким азотом.
2
Известен соленоид, разработанный в институте Ядерной физики, Новосибирск (С.Г.Воропаев, А.И.Горбовский, Б.А.Князев и др. «Магнитная система для компрессии и транспортировки мощного РЭП с полем до 12 Тл». Вопросы Атомной Науки и Техники. Серия ТС. 1986. Вып.2. С.25-30). Ленточный соленоид предназначен для фокусировки и транспортировки релятивистского электронного пучка. Он содержит 140 витков ленты сечением 60×0,2 мм из холоднокатаной меди M1. Для упрочнения соленоида применен внешний бандаж из стеклоткани. Существенный недостаток этой конструкции - сравнительно слабое максимальное магнитное поле ≈12 Тл, величина которого в данном случае определяется низкой прочностью медной ленты на разрыв.
Известна конструкция соленоида, предназначенного для проведения исследований свойств материалов при низких температурах в сильных магнитных полях ≈60 Тл. L.J.Campbell, H.J.Boenig, D.G.Rickel, J.B.Schillig, J.R.Sims. Status of the NHMFL 60 Tesia quasi-continuous magnet. IEEE Transactions on magnetics. Vol.32, No.4, July 1996. Изготавливается 9 отдельных проволочных катушек разного диаметра, причем каждая с собственной прочной стальной внешней оболочкой - бандажом. Затем катушки вставляются одна в другую. Электрические соединения концов проводов вынесены на торцы соленоида. Недостатком можно считать высокую индуктивность соленоида и, следовательно, большую длительность импульса - порядка секунды. Имеют место потери энергии на нагрев бандажей вихревыми токами.
Известен ленточный соленоид для генерации сильного магнитного поля - Катрухин Ю.К., Дорошенко А.П. «Прочность многослойных клееных обмоток соленоидов». Ж. Приборы и Техника Эксперимента. №6, 1985. С.162-165. Полный текст статьи депонирован в ВИНИТИ: №64-85 (деп.). В соленоиде витки ленточного проводника уложены между внутренним и внешним электродами; обмотка пропитывается клеем. Прочность данного соленоида определяется механическими свойствами ленточного проводника. Применялась лента из высокопрочной нагартованной и состаренной бериллиевой бронзы БрБ-2. Эксперименты показали, что соленоиды разрушались из-за раскручивания витков, причем значительно раньше, чем достигалось предельно допустимое напряжение ленты на разрыв.
Наиболее близким к заявляемому является ленточный соленоид по патенту РФ на изобретение № 2281576 с приоритетом от 28.03.05 г., авторов Миронычева П.В., Гридасова А.П., Железова С.А. и Сулина Н.Н. Опубликовано 10.08.08 г., бюллетень № 22. Витки ленточного проводника и изолятора уложены слоями между внутренним и внешним электродами. Электрическое соединение концов ленточного проводника с электродами выполнено пайкой. Укладку производят двумя ленточными проводниками одновременно, а места токопроводящих соединений на электродах располагают осесимметрично, равномерно распределенными по углу. Поверхности электродов между соседними токопроводящими соединениями дополнительно изолируют. Эксперименты показали, что такие ленточные соленоиды имеют небольшой ресурс и разрушаются после нескольких импульсов из-за обрыва (излома) ленточного проводника по границе паяного шва на внутреннем электроде. Причина: - один внешний бандаж обмотки соленоида не способен обеспечить фиксацию внутреннего витка вблизи паяного шва, поскольку при большом числе слоев проводника, изолятора и клея обмотка соленоида получается «рыхлой». К тому же внутренние витки особенно сильно нагружены давлением магнитного поля.
При создании данного ленточного соленоида решалась задача многократного получения в простой конструкции импульсного магнитного поля ≈30 Тл.
Техническим результатом при решении данной задачи является повышение выходных параметров ленточного соленоида заявляемой конструкции в отношении прочности, величины магнитного поля и ресурса.
Указанный технический результат достигается тем, что, по сравнению с известным ленточным соленоидом, содержащим изолированный ленточный проводник, витки которого расположены между внутренним и внешним электродами, заявляемый соленоид выполнен секционированным, путем расположения между витками ленточного проводника, по меньшей мере, одного промежуточного электрода, причем электрическое соединение его с концами ленточного проводника выполнено на противоположных поверхностях промежуточного электрода, а места этих соединений расположены друг против друга.
В заявляемом ленточном соленоиде, с введенным в обмотку промежуточным электродом, можно получить увеличение прочности и ресурса. Промежуточные электроды (один или несколько) делят обмотку на секции и выполняют также функции внутренних бандажей. Поскольку секции содержат меньшее число витков, - они получаются более жесткими и витки лучше фиксируются. В предлагаемом устройстве требования к прочности ленточного проводника существенно снижаются, и он может быть изготовлен из простой мягкой меди M1, поскольку все радиальное давление магнитного поля воспринимают промежуточные и внешний электроды. При этом обмотка из меди, что немаловажно, обладает минимальным электрическим сопротивлением. В ленточном соленоиде по прототипу обмотка «рыхлая», внутренние витки растягиваются значительно сильнее внешних и рвутся после нескольких импульсов. Кроме того, у конструкции ленточного соленоида по прототипу есть еще и такой недостаток. Из-за большой деформации внутренних витков обмотки радиальное давление магнитного поля суммируется на внешних витках; напряжение сжатия может превысить предел текучести. В заявляемой конструкции этого недостатка нет, поскольку секции механически не зависимы. Проведем сравнение распределения механических напряжений внутри соленоида конструкции по прототипу и заявляемого устройства. Рассмотрим соленоид из 46-ти витков, намотанный по прототипу двумя ленточными проводниками одновременно. В прототипе намотка двумя лентами одновременно имеет целью улучшение симметрии поля. Пусть ширина ленточного проводника составляет 60 мм, толщина ленты - 0,3 мм, а диаметр внутреннего электрода - 36 мм. Для получения магнитного поля ≈30 Тл требуется ток ≈60 кА. В этом случае на внутренний виток будет действовать радиальное магнитное давление ≈30 МПа. Это давление в основном должен сдержать первый виток ленточного проводника. Если бы ленточный проводник образовывал замкнутую цилиндрическую оболочку, то в ней возникли бы растягивающие напряжения ≈1000 МПа. Это напряжение для проводящего материала надо считать очень большим, но допустимым. Известны специальные сплавы меди с серебром, имеющие предел текучести до 1400 МПа. Однако главная трудность в том, что виток не образует замкнутую оболочку. В прочности спиральной структуры витка значение имеют механические свойства клея, который сдерживает виток от раскручивания. К тому же при растяжении внутреннего витка и увеличении его радиуса появляются большие локализованные деформации изгиба ленточного проводника по границе паяного шва. В то же время в соленоиде заявляемой конструкции можно пренебречь прочностью самого ленточного проводника и считать, что суммарное радиальное магнитное давление на 5 внутренних витков (≈135 МПа) воспринимается первой оболочкой толщиной 2,3 мм и средним радиусом 24,6 мм из стали с пределом текучести 1500 МПа. При этом ленточный проводник работает только на сжатие, причем напряжение не превышает предела текучести меди, поскольку витков в первой секции немного.
На фиг.1 изображено сечение заявляемого ленточного соленоида с одним промежуточным электродом, а на фиг.2 - сечение соленоида с четырьмя промежуточными электродами. На фиг.1 и 2 обозначено:
1 - изолированный ленточный проводник;
2 - внутренний электрод;
3 - внешний электрод;
4 - секции соленоида;
5 - промежуточный электрод;
6, 7 - места электрических соединений промежуточного электрода с ленточным проводником;
8, 9 - места электрических соединений ленточного проводника с внутренним и внешним электродами.
Ленточный соленоид содержит изолированный ленточный проводник 1, витки которого расположены между внутренним 2 и внешним 3 электродами. Соленоид выполнен секционированным 4 путем расположения между витками ленточного проводника 1, по меньшей мере, одного промежуточного электрода 5. Электрическое соединение его с концами ленточного проводника выполнено на противоположных поверхностях промежуточного электрода 5. Места 6, 7 этих соединений расположены друг против друга. Кроме того, соленоид содержит место соединения 8 ленточного проводника 1 с внутренним электродом 2 и место соединения 9 ленточного проводника 1 с наружным электродом 3.
Заявляемое устройство по фиг.1 работает следующим образом. Через электроды 2 и 3 соленоид быстро подключается к батарее конденсаторов. Разрядный ток протекает по внутреннему 2 и внешнему 3 электродам, по виткам ленточного проводника 1 и через участок промежуточного электрода 5 радиально между токопроводящими швами 6 и 7. Давление магнитного поля на первую и вторую секции витков воспринимают, соответственно, промежуточный и внешний электроды, которые обладают достаточной прочностью.
2
В примере реализации заявляемого ленточного соленоида по фиг.2, имеющего пятисекционную обмотку, внутренний, внешний и четыре промежуточных электрода, производят последовательно укладку пяти отрезков изолированного ленточного проводника сечением 60×0,5 мм из меди M1. Секции содержат 5, 5, 5, 8 и 23 витков соответственно. В качестве изоляторов используется стеклотканевая лента толщиной 0,3 мм и шириной 70 мм. Внутренний электрод выполнен из стальной трубки с толщиной стенки 2 мм. Токопроводящие соединения ленточных проводников с электродами выполнены в виде паяных швов. На внутренней и внешней поверхностях промежуточных электродов, выполненных из прочной стали, швы расположены один против другого для минимизации электрического сопротивления между швами. Внешний электрод, одновременно являющийся бандажом, выполнен из прочной стали.
Таким образом, по сравнению с прототипом в заявляемом ленточном соленоиде удается увеличить прочность и ресурс соленоида и за счет этого многократно получать импульсное магнитное поле около 30 Тл.