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

охлажденного гелия поступает в поршневой детандер, где гелий расширяется,

заставляя двигаться поршень, причем температура гелия в это время падает до

11…12 К. Холодный гелий используется теперь для охлаждения новых порций гелия.

Другая часть газообразного охлажденного гелия поступает в так называемую

дроссельную ступень, где газ заставляют пройти через дроссель. При этом уже

основательно охлажденный газ еще больше охлаждается, частично превращаясь в

жидкость (сжижается примерно около 10 % первоначально имевшегося количества

гелия).

Производительность аппарата 45 л/ч, расход электроэнергии 2,5 кВт·ч/л

жидкого гелия. Такая производительность, однако, не предел. За последние годы в

СССР и США созданы гелиевые ожижительные установки производительностью 200 л/ч и

более. Мала или велика эта производительность?

Теплота испарения жидкого гелия настолько низка, что электролампочка мощностью 4

Вт, работающая в жидком гелии, испарила бы более 50 л жидкого гелия за 1 ч!

Тем не менее полное отсутствие сопротивления у сверхпроводящих обмоток и,

следовательно, отсутствие выделения тепла позволяют обходиться такими

количествами жидкого гелия даже для самых крупных обмоток. Важно лишь обеспечить

очень хорошую теплоизоляцию области, где находится сверхпроводящая обмотка, с

тем чтобы тепло не поступало в эту область извне.

Самая лучшая теплоизоляция — это высокий вакуум (остаточное давление 10-5…10-6

мм рт. ст.). Теплопроводность остаточного газа в этом случае ничтожно мала для

того, чтобы обеспечить хоть сколько-нибудь заметную теплопередачу. При вакуумной

изоляции решающее значение приобретает теплопередача лучеиспусканием. Чтобы

ликвидировать или по крайней мере существенно снизить передачу тепла от области

с высокой температурой к низкотемпературной, на пути излучения в вакууме

необходимо поставить отражающие экраны, охлаждаемые каким-либо хладагентом.

Охлаждение экрана необходимо потому, что теплопередача излучением

пропорциональна разности четвертых степеней температур поверхностей. Снижая эту

разность, можно добиться еще большего эффекта теплоизоляции. Достаточно сказать,

что установка экрана, охлаждаемого жидким азотом, снижает приток тепла в

низкотемпературную область в 200 раз!

Хранят жидкий гелий в специальных сосудах Дьюара. Обычно они имеют сферическую

форму, поскольку сфера при данном объеме имеет самую маленькую поверхность, а

каждый лишний сантиметр поверхности — это и лишний приток тепла внутрь сосуда!

Наиболее часто употребляемый сосуд (модель СД-10Г) может вместить около 10 л

жидкого гелия. Гелий содержится в сферическом резервуаре, который расположен

внутри ванны с азотом, помещенной, в свою очередь, внутри сферического корпуса,

имеющего комнатную температуру. В пространстве между внешним корпусом и сосудами

с азотом и гелием создается глубокий вакуум. В таком сосуде в сутки теряется не

более 2 % гелия.

Существуют стандартные сосуды большей емкости, например, на 50, 80, 100 л.

Развитие сверхпроводниковой техники приведет к созданию значительно больших

емкостей. Уже сейчас для централизованного снабжения гелием используют гелиевые

цистерны вместимостью 10…30 тыс. л. В этих гигантских устройствах применяются

уже несколько иные принципы теплоизоляции. Здесь использована так называемая

многослойная вакуумэкранная изоляция. Она представляет собой вакуумный

промежуток, заполненный большим числом слоев алюминиевой фольги, проложенных

теплоизоляционными материалами, например стеклотканью или стеклобумагой.

Количество этих экранов может быть очень большим (более ста).

Можно считать в принципе решенной и проблему перекачки жидкого гелия по трубам,

особенно остро стоящую перед теми, кто занимается созданием сверхпроводниковых

линий электропередачи. Принцип, на котором создаются эти трубы, практически тот

же, что и используемый при создании сосудов Дьюара. Это внутренняя труба с

жидким гелием, окруженная концентрическим экраном, находящимся при температуре

жидкого азота и помещенным, в свою очередь, во внешний кожух, имеющий обычную

температуру. На внутренней поверхности гелиевой трубы нанесена пленка

сверхпроводника, она и является токопроводом такой линии электропередачи.

Первые эксперименты в области создания крупных криогенных систем приносят

обнадеживающие результаты. Можно быть уверенным в том, что уже в скором времени

мы станем свидетелями новых поразительных успехов в этой области.

Успешно решена и задача создания сверхпроводящего магнита, магнитное поле

которого существует при комнатной температуре. Одним из замечательных достижений

на этом пути можно считать разработку и постройку сотрудниками Научно-

исследовательского института электрофизической аппаратуры имени Д.В.Ефремова,

Института атомной энергии имени И.В.Курчатова и Физического института АН СССР

имени П.Н.Лебедева "гибридного" магнита, в котором сверхпроводящий соленоид с

полем при комнатной температуре добавляет свое поле к полю биттеровского медного

водоохлаждаемого соленоида на 15 Тл — суммарное поле составляет 25 Тл.

На Международном симпозиуме по сильным магнитным полям в Осаке, проводившемся в

1982 г., группа американских исследователей (Л.Рубин с сотрудниками) сообщила,

что им удалось построить гибридный электромагнит на 30 Тл.

Победа над деградацией и решение технической задачи охлаждения сверхпроводников

до сверхнизких температур позволили ученым создать уникальные сверхпроводящие

магнитные системы для исследования плазмы, магнитогидродинамических (МГД)

установок, пузырьковых камер. В качестве примера упомянем построенный в США

сверхпроводящий магнит, который может создавать магнитное поле 4 Тл в

цилиндрическом объеме диаметром 20 см и длиной около 1,5 м. В сеерхпроводящем

магните для пузырьковой камеры достигнуто поле 7 Тл в объеме диаметром 18 см.

Созданы сверхпроводящие магнитные системы с магнитным полем около 3 Тл и рабочим

объемом диаметром до 5 м.

При покорении холодного мира сверхпроводников ученым пришлось заново решать

множество проблем, считавшихся решенными. Например, какой источник тока годится,

чтобы питать сверхпроводящее устройство? Если речь идет о сравнительно небольших

токах, то в принципе годятся привычные батареи, генераторы или аккумуляторы.

Однако ток, который можно пропустить по сверхпроводнику сечением 1 мм2,

составляет 1000 А, что более чем в 100 раз больше тока, пропускаемого через