Способ изготовления сверхпроводящих обмоток (варианты)
Изобретение относится к области прикладной сверхпроводимости и может быть использовано при изготовлении механически нагруженных сверхпроводящих обмоток с напряжением проводника больше 100 МПа при работе, а также сверхпроводящих обмоток и устройств, работающих в переменных режимах, например сверхпроводящих магнитов для ускорителей заряженных частиц и сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии. Техническим результатом является повышение рабочих характеристик сверхпроводящих обмоток, работающих в переменных режимах. Способ изготовления сверхпроводящих обмоток заключается в использовании в качестве наполнителя жидкой эпоксидной смолы с мелкодисперсным порошком редкоземельного интерметаллида, например HoCu2 (гольмий-медь) или CeCu6 (церий-медь). Концентрацию наполнителя выбирают в диапазоне 20% - 50% от объема смеси с жидкой эпоксидной смолой. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области прикладной сверхпроводимости и может быть использовано при изготовлении механически нагруженных сверхпроводящих обмоток (с напряжением проводника больше 100 МПа при работе), а также сверхпроводящих обмоток и устройств, работающих в переменных режимах, например сверхпроводящих магнитов для ускорителей заряженных частиц и сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии.
Наиболее близким техническим решением является способ изготовления сверхпроводящих обмоток, в котором осуществляют намотку витков сверхпроводника вплотную друг к другу и одновременно промазывают их жидкой эпоксидной смолой с наполнителями, например силикатом циркония или нитридом бора с концентрацией 70%-80% по массе смеси для предотвращения растрескивания ее при охлаждении до низких температур, а витки промазывают полностью с заполнением межвиткового пространства. При необходимости в обмотке выполняют каналы охлаждения между витками или слоями, тогда витки промазывают частично, см. Уилсон М., Сверхпроводящие магниты, Москва, "Мир", 1985, с.364-383.
Недостатком известного способа является ограниченная способность работы обмоток в переменных режимах при скоростях изменения магнитного поля больше или порядка 0,5 Т/с. В этих режимах в изменяющемся по времени магнитном поле в сверхпроводнике выделяется тепло, которое должно поглощаться либо обмоткой за счет собственной теплоемкости, если в обмотке нет каналов для прохода хладагента (полное промазывание витков сверхпроводника эпоксидной смолой), либо хладагентом в каналах, если они есть в обмотке (частичное промазывание витков сверхпроводника эпоксидной смолой с выполнением каналов охлаждения). Поскольку теплопоглощающая способность сверхпроводящих обмоток ограничена нагревом до критической температуры сверхпроводника, а хладагента в каналах соответственно критическими явлениями в теплоотдаче на поверхности нагретого сверхпроводника, особенно в узких каналах (кризис режима кипения с резким, на десятки градусов, ростом температуры), то отсюда появляются временные ограничения на работу сверхпроводящих обмоток в переменных режимах.
Техническим результатом является повышение рабочих характеристик сверхпроводящих обмоток, работающих в переменных режимах, например увеличение максимальной скорости изменения магнитного поля, при которой еще сохраняется сверхпроводящее состояние в обмотке и увеличение собственного магнитного поля в обмотке при фиксированном значении скорости его роста, повышение устойчивости обмоток к импульсным тепловыделениям механического происхождения при больших механических напряжениях (≥100 МПа), что позволяет расширить функциональные возможности сверхпроводящих обмоток.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления сверхпроводящих обмоток, в котором в процессе намотки витки сверхпроводника укладывают вплотную друг к другу и промазывают жидкой эпоксидной смолой с наполнителями, предотвращающими растрескивание последней при охлаждении, причем промазывают витки полностью с заполнением межвиткового пространства или частично с выполнением каналов охлаждения между витками или слоями, в качестве наполнителя в эпоксидную смолу добавляют мелкодисперсный порошок редкоземельного интерметаллида с аномально высокой теплоемкостью при низких температурах, в качестве наполнителя в эпоксидную смолу добавляют мелкодисперсный порошок редкоземельного интерметаллида НоСu2 (гольмий-медь) или CeCu6 (церий-медь), а концентрацию наполнителя мелкодисперсного порошка редкоземельного интерметаллида выбирают в диапазоне 20%-50% от объема смеси с жидкой эпоксидной смолой.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена зависимость от тока в обмотке энергии электромагнитного возмущения, необходимого для перевода обмотки из сверхпроводящего в нормальное состояние для обмоток, в которых для промазки используют эпоксидную смолу с наполнителем NB-нитрид бора, как в известном способе, и двух других, изготовленных предлагаемым способом с наполнителями НоСu2 (гольмий-медь) или СеСu6 (церий-медь), на фиг.2 показана зависимость от тока в обмотке максимально возможной скорости изменения индукции магнитного поля электромагнитного возмущения при сохранении сверхпроводящего состояния в обмотках, одна из которых изготовлена известным способом и две других предложенным способом, в котором используют для промазки смесь эпоксидной смолы и мелкодисперсного порошка редкоземельного интерметаллида, изготовленных с наполнителем NB-нитрид бора и двух других, изготовленных предлагаемым способом с наполнителями НоСu2 или CeCu6.
Способ осуществляют следующим образом.
Способ изготовления сверхпроводящих обмоток, в котором осуществляют намотку витков сверхпроводника вплотную друг к другу и одновременно промазывают их предварительно приготовленной эпоксидной смолой с наполнителем. В состав жидкой эпоксидной смолы в качестве наполнителя вводят мелкодисперсный порошок редкоземельного интерметаллида, например HoCu2 (гольмий-медь) или СеСu6 (церий-медь) с объемной долей 20%-50% от общего объема смеси. При необходимости для получения заданных рабочих режимов в обмотке выполняют каналы охлаждения, например, между витками или между слоями в зависимости от конструктивного выполнения. При намотке плотной сверхпроводящей обмотки без каналов охлаждения всю поверхность сверхпроводника промазывают приготовленной густой смесью, если он уже покрыт электроизоляцией, а затем витки сверхпроводника плотно укладывают друг к другу. При этом смесью заполняют все межвитковое пространство. В случае, если сверхпроводник не изолирован, то после полной промазки его «голой» поверхности смесью эпоксидной смолы с мелкодисперсным порошком редкоземельного интерметаллида сверхпроводник покрывают слоем электрической изоляции, например стеклолентой или полиамидной пленкой. Затем витки сверхпроводника также укладывают плотно друг к другу. В этом случае межвитковое пространство будет заполнено электрической изоляцией, а смесь эпоксидной смолы с мелкодисперсным порошком редкоземельного интерметаллида заполняет пространство между сверхпроводником и слоем изоляции. Каналы для охлаждения между витками сверхпроводника выполняют в процессе намотки обмотки, когда уже покрытый электроизоляцией сверхпроводник обматывают в разбежку стеклолентой, предварительно промазанной смесью эпоксидной смолы и мелкодисперсного порошка редкоземельного интерметаллида, которая при этом переносится на поверхность сверхпроводника (частичная промазка). После застывания смеси обмотка делается пористой, проницаемой для хладагента. Каналы охлаждения между слоями обмотки выполняют, например, прокладывая полоски воска, которые после застывания смолы удаляют с помощью растворителя, или между слоями обмотки располагают прокладки с рифленной поверхностью, обращенной к виткам сверхпроводника, и в процессе намотки эта поверхность не промазывается, т.е. получается частичная промазка.
Введение вещества с аномально высокой теплоемкостью (например, при температуре кипения жидкого гелия 4,2 К теплоемкость редкоземельного интерметаллида HoCu2 в 450 раз больше чем у меди) в состав эпоксидного компаунда сверхпроводящей обмотки значительно (примерно в 5-10 раз) увеличивает ее среднюю объемную теплоемкость. Соответственно во столько же раз возрастает ее теплопоглощающая способность и способность противостоять быстрым изменениям магнитного поля и импульсным локальным тепловыделениям механического происхождения без нагрева сверхпроводника до критической температуры перехода в нормальное состояние. При достижении нижней границы объемной концентрации редкоземельного интерметаллида в 20% теплоемкость смеси примерно на порядок больше теплоемкости эпоксидной смолы, а выше верхней границы объемной концентрации в 50% начинают уменьшаться клеящие свойства смеси эпоксидной смолы с мелкодисперсным порошком редкоземельного интерметаллида.
Способ изготовления сверхпроводящих обмоток, в котором обмотку промазывают эпоксидной смолой с мелкодисперсным порошковым наполнителем редкоземельного интерметаллида, например HoCu2 (гольмий-медь) или CeCu6 (церий-медь), позволяет получить сверхпроводящие обмотки с повышенными рабочими характеристиками в переменных режимах, например увеличенной максимальной скоростью изменения магнитного поля, при которой еще сохраняется сверхпроводящее состояние в обмотке. Также способ изготовления обмоток позволяет повысить значение собственного магнитного поля в обмотке при фиксированном значении скорости его роста, см. на фиг.1 обмотки, изготовленные предлагаемым способом, сохраняют сверхпроводящее состояние при существенно более высоких значениях скорости изменения внешнего магнитного поля при электромагнитном возмущении: зависимости 2 и 3 соответственно для обмоток с НоСu2 и CeCu6 по сравнению с зависимостью 1 для NB (известный способ). Эпоксидный компаунд с мелкодисперсным порошком редкоземельных интерметаллидов значительно повышает устойчивость обмотки к механическим возмущениям, см. на фиг.2 у обмоток, изготовленных известным способом при электромагнитном возмущении, существенно более высокие критические энергии, переводящие обмотку из сверхпроводящего в нормальное состояние, зависимости 2 и 3 для обмоток соответственно с НоСu2 и СеСu6 по сравнению с зависимостью 1 для NB (известный способ).
1. Способ изготовления сверхпроводящих обмоток, в котором в процессе намотки витки сверхпроводника укладывают вплотную друг к другу и промазывают жидкой эпоксидной смолой с наполнителями, предотвращающими растрескивание последней при охлаждении, причем промазывают витки полностью с заполнением межвиткового пространства или частично с выполнением каналов охлаждения между витками или слоями, отличающийся тем, что в качестве наполнителя в эпоксидную смолу добавляют мелкодисперсный порошок редкоземельного интерметаллида с аномально высокой теплоемкостью при низких температурах с концентрацией 20÷50% от объема смеси с жидкой эпоксидной смолой, а промазанные витки покрывают слоем электрической изоляции.
2. Способ изготовления сверхпроводящих обмоток по п.1, отличающийся тем, что в качестве наполнителя в эпоксидную смолу добавляют мелкодисперсный порошок редкоземельного интерметаллида HoCu2 (гольмий-медь) или редкоземельного интерметаллида CeCu6 (церий-медь).
3. Способ изготовления сверхпроводящих обмоток, в котором в процессе намотки сверхпроводник вразбежку обматывают стеклолентой, затем витки укладывают плотно друг к другу, делая обмотку пористой, проницаемой для хладагента, отличающийся тем, что на поверхность стеклоленты предварительно наносят смесь жидкой эпоксидной смолы и мелкодисперсного порошка редкоземельного интерметаллида с аномально высокой теплоемкостью при низких температурах с концентрацией 20÷50% от объема смеси.
4. Способ изготовления сверхпроводящих обмоток по п. 3, отличающийся тем, что в смеси с жидкой эпоксидной смолой используют мелкодисперсный порошок редкоземельного интерметаллида HoCu2 (гольмий-медь) или редкоземельного интерметаллида CeCu6 (церий-медь).
