Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)

Мировая наука остро нуждалась в сверхсильных магнитных полях. Физики

циклотронной лаборатории Гарвардского университета, например, мечтали о полях

хотя бы 20 Тл, которые могли бы заметно искривлять траектории частиц, попадающих

в толстые фотоэмульсии. Они использовали конденсаторные батареи.

Мощные конденсаторные батареи за 0,00001 с могли обеспечить получение

электрической мощности 1 млн. кВт или 1 млрд. Вт (мощность Днепрогэса 600 тыс.

кВт), удалось получить магнитное поле более 100 Тл. Внезапное высвобождение

огромной энергии происходило с грохотом, напоминающим удар грома.

Вся эта лавина энергии загонялась в один-единственный массивный виток. Как

показал П.Л.Капица, соленоиды обычного типа с намотанной на них медной

проволокой, "выживают" лишь в полях до 30…35Тл. Соленоиды "биттеровского"

типа, изготовленные из медных дисков, оказались устойчивее, но и они выдерживали

магнитные поля не выше 50…70 Тл. Соленоиды не в состоянии противодействовать

огромным усилиям, возникающим в таких полях. Особенно слабым местом казалась

межвитковая изоляция. Чтобы от нее избавиться, пришлось перейти на один-

единственный массивный виток, который вместе с держателем изготовили из меди,

закаленной стали или бериллиевой бронзы.

Цель экспериментов — выяснить, насколько различные металлы могут противостоять

механическим и тепловым воздействиям сверхсильных импульсных полей. Эксперименты

показали, что ни один металл не может без разрушения выдержать усилия,

возникающие в магнитном поле 100 Тл. Казалось бы, этим и будут ограничены успехи

физики сверхсильных полей. Однако современными учеными, по-видимому, найден

выход из этого затруднительного положения. Он заключается в применении

"бессиловых" обмоток, где используются принципы наложения противоположно

направленных сил.

Разработано большое число бессиловых и малосиловых обмоток. Бессиловые обмотки —

это последняя надежда физиков на получение устойчивых полей в неразрушающихся

обмотках в том случае, если не будут открыты более прочные и тугоплавкие

материалы.

Сильные магнитные поля при разрядке мощных конденсаторных батарей на

биттеровский соленоид, иногда запеченный для прочности в керамику, или на

отдельный виток сейчас широко используются для создания полей 20…70 Тл.

Значительным техническим достижением является создание в Институте атомной

энергии имени И.В.Курчатова (С.Х.Хакимов с сотрудниками) соленоида нового типа,

представляющего собой цельноточеную спираль из бериллиевой бронзы. Этот

импульсный магнит создает в зоне диаметром 8 см магнитное поле 30 Тл.

А не существует ли способа получения сильного магнитного поля, основанного не на

внезапном обрушивании на соленоид громадной энергии, а на каком-то ином

принципе? Советские электротехники Г.А.Бабат и М.С.Лозинский в 1940 г.

опубликовали статью, в которой высказали идею о "концентраторе" потока.

Эту идею легко понять. Представим себе разрезанную трубку с током, со стороны

разреза замкнутую металлическим поршнем. Внутри трубки ток создает магнитное

поле, характеризующееся густотой магнитных силовых линий, т. е. числом их,

приходящимся на единицу площади сечения внутренней области трубки. Что

произойдет, если поршень внезапно ввести во внутреннюю область трубки?

Внутреннее сечение трубки резко сократится. Так как число силовых линий,

сцепленных с трубкой, мгновенно измениться не может, плотность их в

уменьшившемся сечении столь же резко возрастет. Следовательно, возрастут и

магнитная индукция, и напряженность магнитного поля.

Таким образом, принцип "концентрации" потока сводится к тому, что поле

относительно небольшой напряженности создается сначала в большом объеме, затем

сечение магнитного потока резко сокращают — поле резко возрастает.

Хауленд и Фонер, используя идею Г.А.Бабата и М.С.Лозинского, создали

концентратор без механического сокращения рабочей зоны магнита. Выяснилось, что,

поместив внутри соленоида массивный виток с небольшим внутренним диаметром,

можно также добиться эффекта концентрации: при импульсе тока во внешней обмотке

в массивном витке наводятся вихревые токи, которые вытесняют магнитный поток к

центральному отверстию массивного витка. С помощью концентраторов получено

магнитное поле 45 Тл, в то время как в соленоиде без массивного витка поле более

30…35 Тл получить весьма трудно.

В других экспериментах получено магнитное поле 20 Тл в значительном объеме

(примерно равном объему стакана). В этот объем вставлялись толстые фотоэмульсии

для исследования ядерных процессов. Батарея конденсаторов при этом имела массу

более 30 т.

Вершиной, венчающей все исследования в области сверхсильных магнитных полей,

явилась серия экспериментов, проведенных несколько лет назад советскими физиками

под руководством академика А.Д.Сахарова.

Рассматривая идею концентрации магнитного потока и понимая, что эффект

концентрации тем выше, чем быстрее произойдет "схлопывание" зоны концентрации,

можно прийти к выводу, что этот эффект будет наиболее успешным в том случае,

если схлопывание произвести с помощью взрывчатых веществ.

Если внутри замкнутого массивного витка каким-то образом создать магнитное поле,

то затем, сжимая виток с помощью кумулятивного взрыва, можно добиться того, что

плотность магнитного поля внутри суженного витка сильно возрастет. Это

происходит в силу того обстоятельства, что магнитный поток, сцепленный с каким-

то контуром, не может мгновенно изменяться. Аналогичные идеи были позже

опробованы и американскими физиками в Лос-Аламосской лаборатории.

Устройство, использованное в советских экспериментах, схематически изображено на

рис. 6. Первоначальное магнитное поле 100 Тл создается при помощи устройства,

также работающего на взрывном принципе. Металлическое кольцо-виток диаметром

7,5…10 см окружают 4…8 кг взрывчатки. Когда внешнее поле достигает

максимума, взрывчатку подрывают и кольцо за 0,000001 с, т. е. со скоростью 4

км/с, сужается до 0,4 см.

В процессе схлопывания советскими физиками было замерено магнитное поле 2500 Тл,

а американскими — 1460 Тл. (Это рекордное магнитное поле было получено путем

последовательного использования двух взрывных, или магнитокумулятивных,

генераторов МК-1, МК-2. Второй из них использовался для создания "запального"

поля, которое затем охлопывалось генератором МК-1.) Дальнейшие измерения поля

были невозможны, поскольку во время схлопывания диаметр кольца уменьшался