uzluga.ru
добавить свой файл
1


ЖИДКИЙ ГЕЛИЙ и СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ МАГНИТЫ в УСКОРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ

  • Н.Н.АГАПОВ

  • Объединенный Институт Ядерных Исследований

  • 141980 Дубна Московской обл.


План

  • План

  • жидкий гелий и техническая сверхпроводимость

  • свойства жидкого гелия

  • гелий в природе и его промышленные источники

  • установки сжижения гелия

  • способы криостатирования СП магнитов

  • устройство магнитов с СП обмотками

  • особенности криогеники и СП магнитов Нуклотрона



жидкий гелий и техническая сверхпроводимость

  • Нобелевский лауреат (1913) Камерлинг-Оннес в Лейдене  

  • В 1906 получил жидкий водород

  • В 1908 — жидкий гелий

  • В 1909 достиг температуры, лишь на 1° превышающей абсолютный нуль. 

  • В 1911-1913 открыл явление сверхпроводимости ртути, затем олова, свинца, таллия и других элементов при температуре жидкого гелия. 

  • В 1913 обнаружил исчезновение сверхпроводимости под влиянием сильных магнитных полей и токов. 

  • В 1924 проиллюстрировал возникновение незатухающего тока в кольце из двух контактирующих сверхпроводников. Предложил использовать обмотку из сверхпроводящих материалов для создания мощных магнитных полей.



жидкий гелий и техническая сверхпроводимость

  • Однако уникальное явление сверхпроводимости стало достоянием техники только со времени открытия Д.Кюнцлером (1961) замечательного свойства соединения Nb3Sn сохранять СП-состояние при плотности тока 105 А/см2 магнитном поле 9Тл (Т =4,2 К). Впоследствии подобные свойства были обнаружены у многих соединений и сплавов, составивших особый класс жестких сверхпроводников 2-го рода.



Температуры фазовых переходов, К



Диаграммы состояния



Гелий в природе и его промышленные источники

  • Гелий, символ Не, химический элемент VIII группы периодической системы, относится к инертным газам; газ без цвета и запаха.

  • Природный гелий состоит из 2 стабильных изотопов: He3 и He4, причем содержание последнего резко преобладает.

  • Впервые гелий был открыт не на Земле, где его мало, а в атмосфере Солнца. В 1868 француз Ж. Жансен и англичанин Дж. Н. Локьер спектроскопически исследовали состав солнечных протуберанцев. Полученные ими спектры содержали яркую жёлтую линию, которую нельзя было приписать ни одному из известных в то время элементов. Они объяснили её происхождение присутствием на Солнце нового элемента, который и назвали гелием (от греч. helios - Солнце).

  • На Земле гелий впервые был выделен в 1895 англичанином У. Рамзаем из радиоактивного минерала клевеита. В спектре газа, выделенного при нагревании клевеита, оказалась та же линия.

  • На Земле гелия мало, но по распространённости во Вселенной гелий занимает 2-е место после водорода: на долю гелия приходится около 23% космической массы.На Земле гелий (точнее, изотоп He4) постоянно образуется при распаде урана, тория и других радиоактивных элементов.

  • Примерно половина всего гелия сосредоточена в земной коре, главным образом в её гранитной оболочке, аккумулировавшей основные запасы радиоактивных элементов. Содержание гелия в земной коре невелико - 3 х 10-9 по массе.



Гелий в природе и его промышленные источники

  • Добыча гелия в промышленныхмасштабах производится из природных газов.

  • По качеству сырья гелиевые месторождения подразделяются: на богатые (содержание Не > 0,5% по объёму); рядовые (0,10-0,50) и бедные < 0,10). Более значительные его концентрации (до 2-3%) известны в некоторых месторождениях природного газа Канады и США (шт. Канзас, Техас, Нью-Мексико, Юта).  

  • Мировые запасы гелия составляют 45,6 млрд. кубометров. Крупные месторождения находятся в США (45% от мировых ресурсов), далее идут Россия (32%), Алжир (7%), Канада (7%) и Китай (4%).

  • По производству гелия также лидируют США (140 млн. кубометров в год), затем - Алжир (16 млн.). Россия занимает третье место в мире – 6 млн. кубометров в год.

  • Оренбургский гелиевый завод является в настоящее время единственным отечественным источником получения гелия, причем производство газа снижается.

  • В связи с этим, газовые месторождения Восточной Сибири и Дальнего Востока с высокими концентрациями гелия (до 0,6%) приобретают особое значение. Одним из наиболее перспективных является Ковыктинское газоконденсатное месторождение, находящееся на севере Иркутской области. По оценкам специалистов здесь содержится около 25% общемировых запасов гелия.



Нужны меры по сохранности

  • По легкости и проницаемости гелий уступает только водороду, но он инертен – не вступает в реакции и не аккумулируется в атмосфере.

  • Земля постоянно теряет гелий в околопланетное пространство. Ее сопровождает гелиево-водородный шлейф (А.И.Вернадский).



ЗАКОНОДАТЕЛЬНЫЕ АКТЫ США



Значительная роль в сохранении гелия принадлежит России,

  • поскольку именно на ее на территории сосредоточена значительная часть планетарных ресурсов в высококачественном сырье (0,2-0,6%). Если во многих странах запасы гелия идут на убыль в связи с длительной газодобычей, в России разработка практически не начата, а геологоразведка постоянно улучшает прогноз.









Удельные затраты энергии на получение холода



Схемы криогенных установок на основе эффекта Джоуля-Томсона



Адиабатический метод в криогенике

  • Адиабатический метод в криогенике

  • Промышленное получение жидкого кислорода

  • Крупное производство жидкого гелия для научных целей

  • Открытие сверхтекучести гелия

















HELIUM REFRIGERATORS КГУ-1600/4.5





Температура перехода сверхпроводящее состояние и критическое магнитное поле СП материалов



Две группы сверхпроводников:

  • 1-го рода, для которых проникновение магнитного поля в сверхпроводник происходит скачком одновременно с появлением электрического сопротивления

  • 2-го рода, для которых проникновение магнитного поля в начинается в значительно меньших полях (до появления сопротивления).

  • Для сверхпроводников 2-го рода различают нижнее критическое поле Нк1, при котором начинается проникновение магнитного поля, и верхнее критическое поле Нк2, при котором магнитное поле полностью проникает в объём, а электрическое сопротивление приобретает значение, характерное для нормального состояния

  • Из 2-го рода выделяют группу жёстких сверхпроводников. Для этих материалов характерно большое количество дефектов структуры (неоднородности состава, вакансии, дислокации и др.), которые возникают благодаря специальной технологии изготовления. В жёстких сверхпроводниках движение магнитного потока сильно затруднено дефектами. В этих материалах сильные постоянные электрические токи могут протекать без потерь, т. е. без сопротивления, вплоть до близких к Нк2

  • Поэтому именно жёсткие сверхпроводники у которых электрическое сопротивление равно нулю вплоть до очень сильных полей, представляют интерес с точки зрения технических приложений. Их применяют для изготовления обмоток.

  • Существенный недостаток жёстких сверхпроводников - хрупкость, сильно затрудняющая изготовление из них проволоки или ленты для обмоток сверхпроводящих магнитов. Особенно это относится к соединениям с самыми высокими значениями Тк и Нк типа Nb3Sn.



Особенности обмоток

  • Для стабилизации тока в обмотке (предотвращения потери сверхпроводимости отдельными её участками) сверхпроводящие обмоточные материалы выпускаются в виде проводов и шин, состоящих из тонких жил сверхпроводника в матрице нормального металла с высокой электро- и теплопроводностью (медь или алюминий). Жилы делают не толще нескольких десятков мкм, что снижает тепловыделение в обмотке при проникновении в неё растущего с током магнитного поля.

  • Кроме того, весь проводник при изготовлении скручивают вдоль оси , что способствует уменьшению токов, наводящихся в сверхпроводящих жилах и замыкающихся через металл матрицы.

  • Обмоточные материалы из хрупких интерметаллических соединений Nb3Sn и V3Ga выпускают в виде лент из Nb или V толщиной 10—20 мкм со слоями интерметаллида (2—3 мкм) на обеих поверхностях. Такая лента для стабилизации сверхпроводящего тока и упрочнения покрывается тонким слоем меди или нержавеющей стали.

  • У крупных магнитов с запасенной энергией поля в десятки и сотни Мдж, проводники (шины) в своём сечении содержат лишь 5—10% сверхпроводника, а в обмотке предусматриваются каналы, обеспечивающие надёжное охлаждение витков жидким гелием.

  • Электромагнитное взаимодействие витков создаёт значительные механические напряжения в обмотке. Так, в случае длинного соленоида с полем ~100 кГс они эквивалентны внутреннему давлению ~ 400 атмосфер. Для придания необходимой механической прочности применяют специальные бандажи.





Поворотный магнит LHC



Поворотный магнит LHC



Tevatron dipole magnet



Способы криостатирования СП магнитов

  • Погружной способ

  • Циркуляция жидкого

  • гелия

  • Циркуляция кипящего (двухфазного) гелия

  • Применение сверхтекучего гелия



Nuclotron’s technical ideas and solutions never used before:

  • fast cycling superconducting magnets

  • refrigeration by two-phase helium flow

  • very short cooldown time to the operating temperature

  • parallel connection of about 150 cooling channels

  • wet expansion turbines

  • liquid helium jet pumps

  • two-stage screw compressor with an outlet pressure of 25 bars











NUCLOTRON QUADRUPOLE MAGNET