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

навитых из стальной ленты с нанесенным на нее слоем из сплава ниобий-олово,

достигнуты магнитные поля до 17 Тл. И это при массе магнита в несколько десятков

килограммов вместо нескольких десятков тонн и практически при нулевом

потреблении электроэнергии вместо нескольких тысяч киловатт, которые

потребовались бы для работы несверхпроводящего магнита с теми же параметрами!

Сверхпроводящие соленоиды могут работать почти не потребляя энергии, поскольку

однажды возбужденный в них ток практически не затухает.

Количество энергии, расходуемой в ожижителе гелия и необходимой для поддержания

магнитов при низкой температуре, не идет ни в какое сравнение с теми громадными

количествами ее, которые тратятся в несверхпроводящих магнитах.

Конечно, постройка сверхпроводящих магнитов — далеко не простое дело. Одна из

серьезных и неожиданных трудностей, с которой пришлось столкнуться конструкторам

сверхпроводящих магнитов, — так называемая проблема деградации сверхпроводящей

проволоки в соленоидах. Чтобы понять сущность деградации, вспомним, как,

например, определяют нагрузку, которую может выдержать балка. Для этого,

конечно, не обязательно ее подвергать испытаниям. Надо лишь знать материал, из

которого сделана балка, и характер ее нагружения в работе. А так как прочность

материала известна (она измерена в результате испытаний небольших образцов), то

все сводится к несложным расчетам. Грубо говоря, во сколько раз сечение балки

больше сечения образца, во столько раз большую нагрузку эта балка сможет

выдержать. Словом, какой бы длинной или толстой ни была балка, ее свойства можно

более или менее достоверно заранее рассчитать, зная свойства маленького образца

из того же материала.

А вот для сверхпроводящих сплавов этих простых зависимостей не существует. Если

сечение одной проволоки в 10 раз больше сечения другой, сделанной из такого же

материала, то это вовсе не значит, что по первой можно пропускать ток в 10 раз

больший. Кроме того, характеристики сверхпроводника, измеренные на кусочке

проволоки, не совпадают с характеристиками навитых на катушки длинных кусков

проволоки. Катушки, рассчитанные на одно поле, дают в действительности другое,

значительно более низкое.

Это явление объясняют тем, что магнитное поле проникает в сверхпроводник в виде

так называемых квантов потока. Так как проникновение потока носит скачкообразный

характер и всякое изменение поля во времени вызывает появление ЭДС, в некоторых

участках проволоки образуются вихревые токи, разогревающие проволоку и

преждевременно переводящие ее в нормальное, несверхпроводящее состояние. Поэтому

приходится увеличивать объем и массу катушки по сравнению с теми, которые она

имела бы, если бы характеристики короткого и длинного кусков проволоки

совпадали. Это очень невыгодно по экономическим соображениям: сверхпроводящая

проволока пока еще дорога (несколько сотен рублей за 1 кг).

В настоящее время проблему деградации интенсивно исследуют. Иногда с ней удается

справиться. Уменьшению деградации способствует, например, покрытие

сверхпроводящей проволоки медью. Выяснилось, что при увеличении толщины слоя

меди свойства сверхпроводящих соленоидов значительно улучшаются. Поэтому

некоторые исследователи пришли к выводу, что наилучшим материалом для

сверхпроводящих магнитов является… медь, в которую впрессован сверхпроводник!

В таких системах эффект деградации полностью отсутствует.

Как ни странно, другая проблема, считавшаяся одной из наиболее

труднопреодолимых, оказалась на поверку сравнительно простой. Речь идет о том,

что сверхпроводимость известных до сих пор соединений существует лишь при

температурах, очень близких к абсолютному нулю. Так, ни один из известных

сверхпроводников не может оставаться в сверхпроводящем состоянии при температуре

выше 24 К. Не очень радуют и прогнозы физиков-теоретиков. Они установили, что

принципиально невозможно получить материал, остающийся сверхпроводящим при

температурах выше 40 К, т. е. выше -233 °C. Тем не менее поиск

сверхпроводников, не теряющих сверхпроводимости при 30…40 К, ведется весьма

активно.

Для получения низких температур пользуются гелием, превращающимся в жидкость при

4,2 К. Даже самые незначительные количества тепла, проникшего в сосуд, где

содержится жидкий гелий, способны вызвать его быстрое испарение, поэтому жидкий

гелий надо хранить в специальных сосудах, имеющих исключительно хорошую

теплоизоляцию.

Решать эту проблему конструкторам сверхпроводящих магнитов фактически не

пришлось. Они воспользовались плодами разработок, проведенных теми, кто

занимался вопросами освоения космоса. Успехи ученых и инженеров СССР и США,

работающих над задачей хранения ракетного топлива в сосудах-криостатах, привели

к созданию надежной конструкции и эффективного способа изоляции таких сосудов. В

них можно хранить жидкий гелий в течение нескольких месяцев.

Наиболее прогрессивным до сего времени методом охлаждения газообразного гелия

является метод получения его в жидком виде с помощью созданного академиком

П.Л.Капицей в 1934 г. поршневого детандера. Сущность этого метода заключается в

том, что газообразный гелий расширяется в специальном сосуде — детандере, толкая

при этом поршень, т. е. совершает некоторую работу, отдавая энергию. При этом

гелий охлаждается. Многократно повторяя цикл, можно в принципе добиться того,

что гелий охладится до 4,2 К и превратится в жидкость. Чаще всего, однако,

охлаждение гелия в поршневом детандере сочетается с другими способами

охлаждения, например дросселированием.

При дросселировании предварительно сжатый и охлажденный гелий пропускается через

узкую щель — дроссель, где он расширяется. Физическая сущность охлаждения при

дросселировании (эффект Джоуля — Томсона) состоит в том, что при увеличении

объема газа, происходящем при расширении в дросселе, межмолекулярные расстояния

в газе растут, при этом совершается некоторая работа против сил притяжения. Газ

теряет свою внутреннюю энергию и, следовательно, охлаждается.

Один из "классических" детандерных ожижителей гелия создан в Институте

физических проблем АН СССР. Опишем принцип его работы.

Поршневой компрессор сжимает гелий, поступающий из газгольдеров, и подает его в

ожижитель. Туда поступает около 350 м3/ч газообразного гелия, сжатого до 22…23

атм. Сначала гелий охлаждают в ванне с жидким азотом (70 К). Затем часть