Левитирующий квадруполь (варианты)



Левитирующий квадруполь (варианты)
Левитирующий квадруполь (варианты)
Левитирующий квадруполь (варианты)
Левитирующий квадруполь (варианты)
Левитирующий квадруполь (варианты)
Левитирующий квадруполь (варианты)
Левитирующий квадруполь (варианты)
Левитирующий квадруполь (варианты)
Левитирующий квадруполь (варианты)

 


Владельцы патента RU 2467423:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (Технический университет) (МИРЭА) (RU)

Изобретение относится к физике плазмы. Левитирующий квадруполь содержит вакуумную камеру и сообщающийся с ней цилиндрический отсек в нижней части камеры, в котором на подъемном элементе размещены соосно на расстоянии друг от друга по вертикали две кольцевой формы миксины, каждая в виде катушки из сверхпроводящего материала. Снаружи цилиндрического отсека соосно миксинам размещен соленоид, предназначенный для образования магнитного потока, проходящего через сечения указанных миксин. Устройство охлаждения предназначено для перевода миксин в сверхпроводящее состояние и захвата миксинами магнитного потока, а источник питания соленоида - для формирования в миксинах в сверхпроводящем состоянии магнитного поля. Снаружи или внутри камеры соосно с обеими миксинами и с вертикальной осью камеры закреплена катушка из сверхпроводящего материала, предназначенная для формирования магнитного поля, необходимого для компенсации гравитационного воздействия на две указанные охлажденные миксины, компенсации их магнитного притяжения и для корректировки магнитного поля квадруполя. Имеется механизм для перемещения охлажденных миксин из отсека в полость камеры при отключенном соленоиде до уровня, при котором плоскость, проходящая через указанную катушку перпендикулярно вертикальной оси камеры, размещена между плоскостями, проходящими через указанные миксины перпендикулярно вертикальной оси камеры. В катушке из сверхпроводящего материала направление тока противоположно направлению тока в обеих миксинах. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к области физики плазмы, в частности, касается конструкции магнитных систем ловушек-галатей, предназначенных для удержания замкнутого в тор плазменного объема в зоне, окруженной магнитным барьером. В частности, рассматривается система из двух левитирующих сверхпроводящих магнитных колец с током одного направления. Такая магнитная система является основным элементом мультипольных магнитных ловушек-галатей.

Хорошо известны и используются в экспериментах способы квазистационарного магнитного удержания высокотемпературной термоядерной плазмы в замкнутых ловушках типа токамак и стелларатор (Арпимович Л.А. «Управляемые термоядерные реакции», М., «Наука», 1963). В настоящее время на токамаках JET и JT-60U получена мощность термоядерной реакции, сравнимая с мощностью создания плазмы. Таким образом, возможность создания управляемого термоядерного реактора на основе удержания термоядерной плазмы в замкнутой магнитной ловушке практически доказана.

Важной характеристикой, определяющей параметры термоядерного реактора с магнитным удержанием, является параметр β, определяемый как отношение давления плазмы (произведение плотности и температуры плазмы) к давлению удерживающего магнитного поля (квадрат модуля магнитного поля). Поскольку мощность термоядерной реакции напрямую определяется только давлением плазмы, то, естественно, надо стремиться к значениям параметра β, близким к единице, когда полностью используется удерживающая способность созданного магнитного поля. К сожалению, системы токамак и стелларатор, имеющие практически однородное азимутальное магнитное поле, устойчиво работают только при малых значениях параметра β~0,05. Такие малые значения параметра β находятся в хорошем соответствии с предсказаниями современной теории магнитного удержания.

Концепция магнитных ловушек-галатей как кандидатов на роль системы удержания плазмы в термоядерном реакторе предполагает, что в этих ловушках с токонесущими проводниками, омываемыми плазмой ("миксинами"), (Брагинский С.И., Кадомцев Б.Б. Сборник «Физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций», под ред. М.А.Леонтовича, т.3, М., изд-во АН СССР, 1958, стр.300; KerstD.W., Ohkawa Т. «Nuovo Cimento», 1961. V.22. р.784; Peregood B.P., Lehnert В. «Nucl. Instnmi. Methods», 1981, V.180, р.357; Yoshikawa S. «Nucl. Fusion», 1973, V.13, p.433; Prager S.K. «Nucl. histram. Methods», 1983, V.207, p.187; Жуков В.В., Морозов А.И., Щепкин Г.Я. «Письма в ЖЭТФ», 1969, т.9, стр.24), величина β00=2µоPmax/B2max, где Рmax и Вmax - максимальное давление плазмы и максимальное поле в реакторе) может достигать значений порядка единицы, а переносы быть классическими. Сегодняшние токамаки и стеллаторы не удовлетворяют указанным требованиям.

Такие ловушки-галатеи с тремя миксинами описаны в ж. «Физика плазмы», 2006, том 32, №3, стр.195-206, статья «Инжекция плазмы в Галатею «Тримикс», авторы А.И.Морозов, А.И.Бугрова, А.М.Бишаев, М.В.Козинцева, А.С.Липатов, В.И.Васильев и В.М.Струнников.

Так, в RU 99267, Н05Н 1/24, G21B 1/00, опубл. 10.11.2010, описана плазменная ловушка тримикс, содержащая три миксины, каждая из которых представляет собой токонесущую витковую обмотку в виде замкнутого кольца, и расталкиватели, каждый из которых представляет собой токонесущую витковую обмотку в виде замкнутого кольца, при этом две миксины выполнены одинакового диаметра и размещены соосно на расстоянии друг от друга, третья миксина меньшего диаметра размещена между первыми двумя миксинами соосно последним, все расталкиватели размещены соосно миксинам, каждый из двух расталкивателей одинакового диаметра, величина которого больше диаметра миксины меньшего диаметра и меньше диаметра миксин с одинаковым диаметром, размещен в плоскости одной из миксин одинакового диаметра, а каждый из двух расталкивателей одинакового диаметра, величина которого больше диаметра миксин, выполненных с одинаковым диаметром, размещен между плоскостями, проходящими через одну из миксин с одинаковым диаметром и миксину меньшего диаметра.

В данной ловушке магнитный барьер сформирован в области высоких значений индукции магнитного поля, но в зоне между расталкивателями образован участок, величина магнитного поля на котором существенно ниже магнитного барьера на других участках, что позволяет применять плазменную пушку для инжекции плазменных сгустков с высокими энергетическими показателями. В результате проведенных исследований было экспериментально подтверждено, что внутри ловушки формируется плазменный объем с высокой плотностью при использовании трех миксин с расталкивателями.

В исследуемых по настоящее время ловушках-галатеях катушки, в том числе и в ловушке по RU 99267, погруженные в плазму (так называемые «миксины»), конструктивно закреплены с помощью державок. Державки пересекают объем, занятый плазмой. Для первоначального этапа исследований (когда теплосодержание в плазме мало) это, по-видимому, допустимо. В термоядерном реакторе миксины должны левитировать, при этом желательно сформировать плазменный объем внутри области, окруженной магнитным барьером поля миксин. Однако такое решение для левитирующего состояния двух и более миксин пока не найдено. В 70-е годы XX века был создан левитируюший диполь (FM-1 spherator / L.Sinnis, M.Okabushi, J.A.Schmidt, S.Yoshikawa // Phis. Rev. Letts. - V.29. - 1972. - P.1214-1218). В настоящее время в США и в Японии созданы большие установки с девитирующими сверхпроводящими диполями LDX (First Experiments tu Test Plasma Confinement by a Magnetic Dipole / J.Kesner, A.C.Boxer, J.L.Ellswors et al. // 21st IAEA Fusion Energy Conference. - 2006 - Prep.IC/ P7-7.-1-8.) и RT-1 (Magnetosphere-like Plasma Produced by Ring Trap 1 (RT-1) / Z.Yoshida, Y.Ogawa, J.Morikawa, et. al. //21st IAEA Fusion Energy Conference, 16-21 October, Chengdu, China. - 2006 - Prep.IC/ P7-14. - P.1-8), соответственно.

Так, в статье «Magnetosphere-like Plasma Produced by Ring Trap 1 (RT-1)» / Z.Yoshida, Y.Ogawa, J.Morikawa, et. al. // 21st IAEA Fusion Energy Conference, 16-21 October, Chengdu, China. - 2006 - Prep.IC/ P7-14. - P.1-8 / (принято в качестве прототипа для всех заявленных объектов) описано устройство левитирующей ловушки (диполя), содержащее вакуумную камеру, в верхней части которой, снаружи от нее, соосно с вертикальной осью камеры и совпадающей с ней осью ловушки размещено кольцо из сверхпроводящего материала для формирования магнитного поля для компенсации гравитационного воздействия на катушку-миксину, в нижней части камеры соосно с вертикальной осью последней и осью катушки-миксины смонтирован цилиндрический отсек, внутри которого на подъемном элементе размещена миксина в виде катушки кольцевой формы из сверхпроводящего материала, а снаружи от него соосно с миксиной размещен соленоид, а также источник питания соленоида для формирования магнитного поля в соленоиде (выполняющем функцию возбуждения тока в миксине), блок формирования магнитного поля в кольце из сверхпроводящего материала, устройство охлаждения катушки кольцевой формы из сверхпроводящего материала и механизм для подъема охлажденной миксины из отсека в полость камеры.

В начальный момент катушка (миксина) в несверхпроводящем состоянии при температуре окружающей среды устанавливается на заданной высоте на подъемном устройстве в цилиндрическом отсеке камеры внутри соленоида. Затем по виткам соленоида пропускается ток, и через сечение катушки из сверхпроводящего материала устанавливается нужный магнитный поток. Катушка охлаждается, переводится в сверхпроводящее состояние и захватывает требуемый магнитный поток. Выключается поле соленоида, и катушка в сверхпроводящем состоянии формирует магнитное поле диполя, после чего перемещают катушку в камеру на заданную высоту. Гравитационное притяжение к Земле компенсируется подачей тока на сверхпроводящее кольцо, которое оказывает стабилизирующее влияние на равновесие системы. Подъемное устройство смещается вниз в заданное положение. Катушка из сверхпроводящего материала занимает равновесное положение на заданном уровне внутри вакуумной камеры и может использоваться в качестве ловушки для плазмы.

Несмотря на то, что в этой установке миксина левитирует, создаваемое ею магнитное поле уменьшается во все стороны от поверхности миксины и не имеет характерной для ловушек-галатей области с нулевым магнитным полем, окруженной со всех сторон магнитным барьером. Недостаток данного решения заключается в слабой эффективности удержания плазмы магнитным полем, а также в отсутствии высоких значений плотности удерживаемой плазмы. Вопрос экономичности установки как в части наполнения ловушки плазмой, так и в части использования удерживающего магнитного поля остается серьезным препятствием для получения хорошо удерживаемого плазменного объема высокой плотности.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата по повышению эффективности организации и удержания плазменного объема с неразмытыми границами и повышению плотности плазмы в зоне, окруженной магнитным барьером.

Указанный технический результат для первого варианта исполнения достигается тем, что левитируюший квадруполь содержит вакуумную камеру и сообщающийся с ней цилиндрический отсек в нижней части камеры, в котором на подъемном элементе размещены соосно на расстоянии друг от друга по вертикали две кольцевой формы миксины, каждая в виде катушки из сверхпроводящего материала, и снаружи которого соосно миксинам размещен соленоид, предназначенный при пропускании через него тока для образования магнитного потока, проходящего через сечения указанных миксин, устройство охлаждения миксин для перевода последних в сверхпроводящее состояние и захвата миксинами магнитного потока, источник питания соленоида для формирования в миксинах в сверхпроводящем состоянии магнитного поля, закрепленную снаружи или внутри камеры соосно с обеими миксинами и с вертикальной осью камеры катушку из сверхпроводящего материала, предназначенную для формирования магнитного поля, необходимого для компенсации гравитационного воздействия на две указанные охлажденные миксины, компенсации их магнитного притяжения и для корректировки магнитного поля квадруполя, а также механизм для перемещения охлажденных миксин из отсека в полость камеры при отключенном соленоиде до уровня, при котором плоскость, проходящая через указанную катушку перпендикулярно вертикальной оси камеры, размещена между плоскостями, проходящими через указанные миксины перпендикулярно вертикальной оси камеры, при этом в катушке из сверхпроводящего материала направление тока выполнено противоположным направлению тока в обеих миксинах.

При этом устройство может быть снабжено дополнительной катушкой из сверхпроводящего материала, закрепленной вне вакуумной камеры и расположенной выше верхней левитирующей миксины, для компенсации гравитационного воздействия на верхнюю миксину.

Устройство также может быть снабжено еще одной катушкой из сверхпроводящего материала, закрепленной вне вакуумной камеры и расположенной ниже нижней левитирующей миксины, для компенсации гравитационного воздействия на нижнюю миксину.

Указанный технический результат для второго варианта исполнения достигается тем, что левитирующий квадруполь содержит вакуумную камеру и сообщающийся с ней цилиндрический отсек в нижней части камеры, в котором на подъемном элементе размещены соосно на расстоянии друг от друга по вертикали две кольцевой формы миксины, каждая в виде катушки из сверхпроводящего материала, и снаружи которого соосно миксинам размещен соленоид, предназначенный при пропускании через него тока для образования магнитного потока, проходящего через сечения указанных миксин, устройство охлаждения миксин для перевода последних в сверхпроводящее состояние и захвата миксинами магнитного потока, источник питания соленоида для формирования в миксинах в сверхпроводящем состоянии магнитного поля, механизм для перемещения охлажденных миксин из отсека в полость камеры при отключенном соленоиде до уровня ниже катушки из сверхпроводящего материала, предназначенной для формирования магнитного поля, необходимого для компенсации гравитационного воздействия на две указанные охлажденные миксины, и расположенной снаружи от камеры в ее верхней части соосно с обеими миксинами и с вертикальной осью камеры, при этом в катушке из сверхпроводящего материала направление тока совпадает с направлением тока в обеих миксинах.

При этом устройство может быть снабжено дополнительной катушкой из сверхпроводящего материала, закрепленной снаружи или внутри вакуумной камеры, для компенсации их магнитного притяжения, компенсации гравитационного воздействия на охлажденные миксины и для корректировки магнитного поля квадруполя, при этом указанная дополнительная катушка размещена между левитирующими миксинами.

Устройство также может быть снабжено еще одной катушкой из сверхпроводящего материала, закрепленной вне вакуумной камеры и расположенной ниже нижней левитирующей миксины, для компенсации гравитационного воздействия на нижнюю миксину.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг.1 - устройство левитирующего квадруполя, первый пример исполнения;

фиг.2 - магнитное поле соленоида, создающее магнитный поток через сечения миксин;

фиг.3 - охлаждение миксин до сверхпроводящего состояния в поле соленоида;

фиг.4 - магнитное поле охлажденных (сверхпроводящих) миксин при выключенном соленоиде;

фиг.5 - положение миксин в камере в левитирующем состоянии по первому варианту исполнения (поддерживающая катушка-расталкиватель 2 закреплена вне камеры);

фиг.6 - положение миксин в камере в левитирующем состоянии по первому варианту исполнения (поддерживающая катушка-расталкиватель 2 закреплена внутри камеры);

фиг.7 - конфигурация результирующего магнитного поля миксин квадруполя и поддерживающей катушки-расталкивателя для примера исполнения устройства по фиг.5;

фиг.8 - пример положения миксин в левитирующем состоянии и конфигурация результирующего магнитного поля миксин квадруполя, поддерживающей катушки-расталкивателя (вне камеры) и двух магнитных катушек, расположенных выше и ниже левитирущих миксин;

фиг.9 - устройство левитирующего квадруполя, второй вариант исполнения.

Согласно настоящего изобретения рассматривается устройство левитирующего квадруполя (ловушки с двумя миксинами, находящимися в левитирующем состоянии) (фиг.1), которое содержит вакуумную камеру 1. Камера выполнена с возможностью удержания вакуума во всех отсеках, сообщающихся с ней. В срединном по высоте сечении снаружи камеры соосно с вертикальной осью последней размещена катушка 2 из сверхпроводящего материала для формирования магнитного поля для поддержания в левитирующем состоянии двух миксин 3 и 4, компенсации их магнитного притяжения и для корректировки магнитного поля квадруполя. В нижней части камеры соосно вертикальной оси последней смонтирован цилиндрический отсек 5, снаружи которого размещен соленоид 6. Внутри отсека размещены на подъемном элементе две миксины 3 и 4, расположенные на расстоянии друг от друга. Каждая миксина выполнена в виде катушки кольцевой формы из сверхпроводящего материала. Снаружи камеры размещены источник питания соленоида для формирования в миксинах в их охлажденном состоянии магнитного поля (не показан), блок формирования магнитного поля во всех внешних и внутренних кольцах из сверхпроводящего материала (не показан) и устройство охлаждения (с применением жидкого азота) кольцевой формы миксин и других катушек из сверхпроводящего материала (устройство охлаждения не показано). Кроме того, в вакуумной камере 1 смонтирован подъемный механизм 7 для перемещения миксин из сверхпроводящего материала в полость вакуумной камеры из отсека 5. Снаружи камеры размещена дополнительная катушка из сверхпроводящего материала 8. Снаружи корпуса камеры, в ее нижней части, размещена еще одна катушка из сверхпроводящего материала 9. Позицией 10 показана вертикальная ось камеры. При этом в катушке 2 из сверхпроводящего материала направление тока выполнено противоположным направлению тока в обеих миксинах.

Для проработки варианта устройства ловушки с левитирующими миксинами был выбран магнитный квадруполь. Рассмотрена система из двух катушек с током одного направления, лежащих в параллельных горизонтальных плоскостях. Для их левитации (то есть создания равновесной конфигурации в магнитном поле и в поле тяготения) надо решить две задачи: компенсировать магнитное взаимодействие миксин (с помощью катушек - «расталкивателей») и компенсировать гравитационное притяжение миксин к Земле (с помощью «антигравитационных» катушек). Главным для ловушки является создание требуемой конфигурации магнитного поля и обеспечение необходимой величины его барьерного значения. Это с необходимостью приводит к использованию в них токов большой величины. В результате, как показывают оценки, силы магнитного взаимодействия между миксинами будут на порядок и более превышать силы тяготения. Так для квадруполя, обеспечивающего барьерное магнитное поле всего в 0,006 Тл, силы притяжения между миксинами достигают Fz=50,35H, а каждая миксина весит 10Н (при плотности сверхпроводящего вещества 5·103 кг/м3). Поэтому токи в расталкивателях будут иметь значения, сравнимые с токами в миксинах, и это позволит, как увидим ниже, повысить эффективность использования магнитного поля миксин.

С другой стороны, для противодействия полю тяготения в антигравитационных катушках достаточно будет использовать токи, которые на порядок меньше тока в миксинах. Это означает, что «поддерживающие» поля практически не будут возмущать основную магнитную конфигурацию, создаваемую миксинами. Отметим главное. Рассчитанные в поле постоянных токов равновесные магнитные конфигурации оказываются неустойчивыми (что находится в соответствии с теоремой Ирншоу (On the nature of the molecular forces which regulate the constitution of the luminoferous ether / Earnshow S. // Transactions of the Cambridge Philosophical Society. - 1842. - Volume 7. - P.97). Анализ показал, что использование сверхпроводников позволит обеспечить устойчивость равновесной конфигурации проводников с током в магнитном поле и в поле тяготения. Из множества различных фаз, проявляющих высокотемпературную сверхпроводимость (ВТСП): (R2-xMx)CuO4, M -щелочноземельный или редкоземельный элемент, RBa2Cu3Oy, Bi-, Pb-, Tl-, Hg, Ru-содержащих слоистых перовскитоподобных фаз («Синтез металлооксидных сверхпроводников» Буш А.А., Высокотемпературная сверхпроводимость: межотраслевой научн.-техн. Сборник, M, ВИМИ, 1989, Вып.1, стр.57-67; «Высокотемпературная сверхпроводимость: фундаментальные и прикладные исследования» Сб. статей, вып.1, под. ред. А.А.Киселева, Л, «Машиностроение» Ленингр. отделение. 1990, 686 с.; А.А.Фотиев, Б.В.Слободин, В.А.Фотиев. «Химия и технология высокотемпературных сверхпроводников» Екатеринбург, УрО РАН, 1994, стр.49; Буш А.А. «Получение кристаллов новых сверхпроводящих, сегнетоэлектрических и родственных фаз оксидных систем, изучение их структуры и свойств» автореферат, докт.дисс.тех. наук, МИРЭА, Москва, 2006, стр.40), для создания сверхпроводящих керамических колец была выбрана ВТСП фаза YBa2Cu3Oy. При выборе учитывались критические параметры сверхпроводящего состояния фаз, стойкость сверхпроводящего состояния образцов к действию внешнего магнитного поля, технологичность образцов, стоимость исходных реактивов и их токсичность.

Предварительные эксперименты, выполненные в МИРЭА с несколькими сверхпроводящими кольцами, показали, что одновременно два сверхпроводящих кольца, помещенные в поддерживающее магнитное поле соответствующей конфигурации, способны устойчиво левитировать. Таким образом, экспериментально было доказано существование устойчивого равновесия в таких системах.

Поле квадруполя не является оптимальным с точки зрения создания магнитного барьера. Для примера для квадруполя из двух одинаковых коаксиальных катушек средним диаметром 20 см и сечением 2 см каждая, лежащих в параллельных плоскостях с расстоянием 12 см между ними, с током 10000А в каждой определена зависимость компоненты Bz поля от координаты г в плоскости симметрии z=0. Установлено, что минимальный барьер в этом случае равен ~0,006 Тл, в то время как поле на оси системы составляет около ~0,08 Тл, то есть более, чем на порядок превосходит минимальный барьер (поле вблизи поверхности катушек ~0,24 Тл).

Переход от левитирующего диполя к левитирующему квадруполю несет в себе главное принципиальное отличие: надо добиться левитации двух взаимодействующих катушек с током. Как только этот этап будет преодолен, можно будет, опираясь на полученный опыт, включить в левитирующую систему дополнительные катушки, которые откорректируют поле. Можно предложить несколько способов достижения левитирующего состояния миксин магнитного квадруполя. Различаться они будут по способу компенсации магнитного взаимодействия миксин (ее выполняют катушки-расталкиватели) и способу компенсации гравитационного притяжения катушек-миксин в поле тяготения Земли (ее выполняют антигравитационные катушки).

Эксперимент, связанный с захватом магнитного потока сверхпроводящими катушками квадруполя, во всех способах одинаков и, по сути, совпадает со сходным этапом в прототипе, когда основная катушка диполя f-coil захватывает магнитный поток.

Сначала обе катушки 3, 4 в несверхпроводящем состоянии на заданном расстоянии друг от друга устанавливаются внутри соленоида 6 (фиг.1).

Затем по виткам соленоида 6 пропускается ток, и через сечения обеих катушек устанавливается нужный магнитный поток (фиг.2). Катушки-миксины охлаждаются, переводятся в сверхпроводящее состояние и захватывают требуемый магнитный поток (фиг.3). Выключается поле соленоида, и катушки в сверхпроводящем состоянии формируют магнитное поле квадруполя (фиг.4). После чего с помощью подъемного механизма 7 катушки 3, 4 перемещают в полость камеры 1 на заданную высоту. Гравитационное воздействие на миксины, а также их магнитное притяжение компенсируется подачей тока в расположенную между ними сверхпроводящую катушку-расталкиватель 2. Катушки-миксины освобождаются от опор подъемного механизма, занимают равновесное положение на заданной высоте в вакуумной камере в левитирующем положении (то есть без опоры) и могут использоваться в качестве ловушки для плазмы (фиг.5, 6).

Реальный опыт обеспечения устойчивости равновесия в системе двух сверхпроводящих катушек с током одного направления уже приобретен во время экспериментов с левитирующим диполем по проекту LDX (Experiments tu Test Plasma Confinement by a Magnetic Dipole / J.Kesner, A.C.Boxer, J.L.Ellswors et al // 21st IAEA Fusion Energy Conference. - 2006 - Prep.IC/ P7-7. - 1-8.). В этом проекте гравитационное притяжение основной (летающей, «floating coil», или, кратко, f-coil) катушки диполя компенсируется магнитным притяжением к расположенной сверху от нее дискообразной катушке («levitation coil», или кратко l-coil) из ВТСП материала. Масса основной катушки f-coil диполя составляет около 580 кг, протекающий по ней ток достигает 1,5·106А, поэтому поддерживающее магнитное поле антигравитационной катушки l-coil лишь слабо возмущает основное магнитное поле диполя.

В простейшем варианте равновесия левитирующего квадруполя, показанном на фиг.5 и 6, магнитное поле в барьере сильно неоднородное. Для устранения этого недостатка возможен вариант левитации квадруполя, показанный на фиг.8. В этом случае в качестве поддерживающей катушки-расталкивателя используется сверхпроводящая катушка 2 с током кругового сечения (диаметром в сечении 2 см), расположенная в срединном сечении квадруполя. Ее средний радиус равен 20 см. Эта катушка закреплена снаружи вакуумной камеры (но может располагаться и внутри вакуумной камеры). Протекающий по ней ток, противоположного направления по отношению к току в миксинах 3 и 4, равен 9855А. Чтобы свести к минимуму нарушение симметрии конфигурации магнитного поля относительно плоскости, в которой расположена катушка 2, использованы две антигравитационные катушки 8 и 9. Размеры верхней 8 и нижней 9 антигравитационных катушек одинаковы. Они имеют сечение в форме круга, диаметром 2 см, а их средний радиус равен 15 см. Они расположены симметрично относительно катушек квадруполя на расстоянии 11 см от его срединного сечения. По ним текут токи одинаковой величины, но противоположного направления. Плоскости всех катушек параллельны друг другу. Ток в каждой из миксин равен 104А. Ток в верхней антигравитационной катушке равен 653,6А; в нижней антигравитационной катушке он равен (-653,6)А, то есть составляет 6,5% от тока в миксинах.

На фиг.9 приведен второй вариант исполнения левитирующего квадруполя, особенностью которого является то, что при совпадении с конструкцией по фиг.1 (первый вариант) в этом варианте изменено положение катушки 2 из сверхпроводящего материала для формирования магнитного поля для поддержания в левитирующем состоянии двух миксин 3 и 4. При этом в катушке 2 из сверхпроводящего материала направление тока совпадает с направлением тока в обеих миксинах. Катушка 2 закреплена снаружи от камеры в ее верхней части соосно с обеими миксинами и с вертикальной осью камеры.

Вариант с расположением катушки 2 по фиг.9 функционирует тем же способом, как было рассмотрено применительно к первому варианту по фиг.1.

1. Левитирующий квадруполь, характеризующийся тем, что содержит вакуумную камеру и сообщающийся с ней цилиндрический отсек в нижней части камеры, в котором на подъемном элементе размещены соосно на расстоянии друг от друга по вертикали две кольцевой формы миксины, каждая в виде катушки из сверхпроводящего материала, и снаружи которого соосно миксинам размещен соленоид, предназначенный при пропускании через него тока для образования магнитного потока, проходящего через сечения указанных миксин, устройство охлаждения миксин для перевода последних в сверхпроводящее состояние и захвата миксинами магнитного потока, источник питания соленоида для формирования в миксинах в сверхпроводящем состоянии магнитного поля, закрепленную снаружи или внутри камеры соосно с обеими миксинами и с вертикальной осью камеры катушку из сверхпроводящего материала, предназначенную для формирования магнитного поля, необходимого для компенсации гравитационного воздействия на две указанные охлажденные миксины, компенсации их магнитного притяжения и для корректировки магнитного поля квадруполя, а также механизм для перемещения охлажденных миксин из отсека в полость камеры при отключенном соленоиде до уровня, при котором плоскость, проходящая через указанную катушку перпендикулярно вертикальной оси камеры, размещена между плоскостями, проходящими через указанные миксины перпендикулярно вертикальной оси камеры, при этом в катушке из сверхпроводящего материала направление тока выполнено противоположным направлению тока в обеих миксинах.

2. Левитирующий квадруполь по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной катушкой из сверхпроводящего материала, закрепленной вне вакуумной камеры и расположенной выше верхней левитирующей миксины, для компенсации гравитационного воздействия на верхнюю миксину.

3. Левитирующий квадруполь по п.1, отличающийся тем, что он снабжен, по крайней мере, еще одной катушкой из сверхпроводящего материала, закрепленной вне вакуумной камеры и расположенной ниже нижней левитирующей миксины, для компенсации гравитационного воздействия на нижнюю миксину.

4. Левитирующий квадруполь, характеризующийся тем, что содержит вакуумную камеру и сообщающийся с ней цилиндрический отсек в нижней части камеры, в котором на подъемном элементе размещены соосно на расстоянии друг от друга по вертикали две кольцевой формы миксины, каждая в виде катушки из сверхпроводящего материала, и снаружи которого соосно миксинам размещен соленоид, предназначенный при пропускании через него тока для образования магнитного потока, проходящего через сечения указанных миксин, устройство охлаждения миксин для перевода последних в сверхпроводящее состояние и захвата миксинами магнитного потока, источник питания соленоида для формирования в миксинах в сверхпроводящем состоянии магнитного поля, механизм для перемещения охлажденных миксин из отсека в полость камеры при отключенном соленоиде до уровня ниже катушки из сверхпроводящего материала, предназначенной для формирования магнитного поля, необходимого для компенсации гравитационного воздействия на две указанные охлажденные миксины, и расположенной снаружи от камеры в ее верхней части соосно с обеими миксинами и с вертикальной осью камеры, при этом в катушке из сверхпроводящего материала направление тока совпадает с направлением тока в обеих миксинах.

5. Левитирующий квадруполь по п.4, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной катушкой из сверхпроводящего материала, закрепленной снаружи или внутри вакуумной камеры, для компенсации магнитного притяжения миксин, компенсации гравитационного воздействия на охлажденные миксины и для корректировки магнитного поля квадруполя, при этом указанная дополнительная катушка размещена между левитирующими миксинами.

6. Левитирующий квадруполь по п.4, отличающийся тем, что он снабжен, по крайней мере, еще одной катушкой из сверхпроводящего материала, закрепленной вне вакуумной камеры и расположенной ниже нижней левитирующей миксины, для компенсации гравитационного воздействия на нижнюю миксину.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике, к системам хранения энергии. .

Изобретение относится к электротехнике, к синхронным машинам индукторного типа со сверхпроводящей катушкой. .

Изобретение относится к электротехнике. .

Изобретение относится к области электротехники, в частности к теплостабилизированным сверхпроводникам на основе соединения Nb3Sn и способах их изготовления. .

Изобретение относится к области сверхпроводящей техники, в частности к катушечным обмоткам. .

Изобретение относится к области прикладной сверхпроводимости и может быть использовано при изготовлении сверхпроводников для сильно механически нагруженных сверхпроводящих обмоток, работающих в переменных режимах, например сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии, дипольных и квадрупольных магнитов для ускорителей заряженных частиц.

Изобретение относится к области способов изменения количества энергии в магнитных катушках и к области устройств для их реализации. .

Изобретение относится к электротехнике, к сверхпроводящим электромагнитам для их переключения в режим незатухающего тока с использованием съемного токопровода. .

Изобретение относится к области прикладной сверхпроводимости и может быть использовано для изготовления сверхпроводников при сильно механически нагруженных сверхпроводящих обмоток (с напряжением проводника больше 100 МПа при работе), а также для сверхпроводящих обмоток и устройств, работающих в переменных режимах, например сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии, дипольных и квадрупольных магнитов для ускорителей заряженных частиц.

Изобретение относится к высоковольтным ускорителям заряженных частиц и используется в качестве источника ионизирующего излучения для радиационно-химических процессов.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для ограничения тока замыкания токов замыкания от низкого до сверхвысокого напряжений

Изобретение относится к электротехнике, к оборудованию для генерирования магнитного поля

Изобретение относится к электротехнике, к проводниковым системам резистивных переключающих элементов

Изобретение относится к области прикладной сверхпроводимости и может быть использовано при изготовлении сверхпроводящих обмоток, сверхпроводящих накопителей энергии, дипольных и квадрупольных магнитов для ускорителей заряженных частиц. Комбинированный сверхпроводник содержит провода 1, выполненные из волокон сверхпроводящего материала в матрице 2 из металла с высокими проводящими свойствами, и слой 5 из металлокерамической порошковой композиции, включающей в себя соединение редкоземельного металла с экстремально высокой теплоемкостью при низких температурах, нанесенный методом холодного сверхзвукового газодинамического напыления. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности использования добавленной теплоемкости соединения редкоземельного металла за счет прогрева высокотеплоемкой добавки, что позволит, не перегревая сверхпроводник выше критической температуры потери сверхпроводимости, полностью поглощать тепло от электрических потерь в переменных режимах при скоростях изменения индукции магнитного поля более 1 Тл/с и от импульсных локальных тепловыделений механического происхождения в условиях больших механических напряжений сверхпроводника более 100 МПа. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к сверхпроводникам и технологии их получения. Оксидный сверхпроводящий провод включает лентообразный оксидный сверхпроводящий слоистый материал 1, сформированный путем нанесения промежуточного слоя 4 на стороне передней поверхности металлической лентообразной подложки 3, оксидного сверхпроводящего слоя 5 на промежуточном слое 4 и защитного слоя 6 на оксидном сверхпроводящем слое 5, и покрытие, включающее металлическую ленту 2 и слой металла с низкой точкой плавления 7, при этом ширина металлической ленты 2 больше, чем ширина оксидного сверхпроводящего слоистого материала 1, и лента 2 закрывает поверхность защитного слоя 6 оксидного сверхпроводящего слоистого материала 1, обе боковые поверхности оксидного сверхпроводящего слоистого материала 1 и оба концевых участка 3а задней поверхности подложки 3 в поперечном направлении, причем оба концевых участка металлической ленты 2 в поперечном направлении закрывают оба концевых участка 3а задней поверхности подложки 3а, слой металла с низкой точкой плавления 7 заполняет щели между оксидным сверхпроводящим слоистым материалом 1 и металлической лентой 2, окружающей оксидный сверхпроводящий слоистый материал 1, и соединяет металлическую ленту 2 и оксидный сверхпроводящий слоистый материал 1 друг с другом, а часть 7с заполняющего слоя металла с низкой точкой плавления продолжается в область углубленного участка 2d, сформированного между обоими концевыми участками металлической ленты 2 в поперечном направлении. Полученная структура сверхпроводящего провода способна предотвращать проникновение влаги, в результате чего оксидный сверхпроводящий слой не разрушается. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 10 ил., 6 табл.

Изобретение относится к области электротехники, а именно, к проводу на основе оксидного сверхпроводника, и сверхпроводящей катушке, образованной посредством наматывания указанного провода. Провод на основе оксидного сверхпроводника включает в себя слоистую структуру со сверхпроводником, которая содержит подложку, которая образована в форме ленты, и промежуточный слой, слой оксидного сверхпроводника и стабилизирующий слой металла, которые наслоены на подложку, и слой изолирующего покрытия, которым покрыта наружная поверхность слоистой структуры со сверхпроводником, при этом либо вся наружная поверхность, либо вся внутренняя поверхность слоя изолирующего покрытия покрыта слоем из фторкаучука, обеспечивающим снижение деформации сверхпроводящей катушки, вызванной отслаивающим напряжением на границе раздела между слоем покрытия из фторкаучука и пропитывающей смолой, что является техническим результатом изобретения. Достигнуто также улучшение сверхпроводимости провода в охлажденном состоянии. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 10 ил., 4 табл.

Изобретение относится к области электротехники. Сверхпроводящий провод, содержащий cверхпроводящую слоистую структуру, включающую подложку и промежуточный слой, сверхпроводящий слой и металлический стабилизирующий слой, которые наслоены на подложку; и изолирующий покрывающий слой, покрывающий внешнюю поверхность сверхпроводящей слоистой структуры и сформированный посредством спекания материала смолы. При этом максимальная высота Rz по меньшей мере части внешней поверхности сверхпроводящей слоистой структуры, покрытой изолирующим покрывающим слоем, составляет 890 нм или меньше. Повышается проводимость провода за счет исключения расслаивания его структуры. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 табл.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к ограничителям тока утечки. Технический результат состоит в повышении кпд путем повышения отношения индуктивностей. Индуктивный ограничитель (1) тока утечки, включающий в себя нормально проводящую систему (2) первичной катушки, имеющую множество витков (3), сверхпроводящую, короткозамкнутую систему (4) вторичной катушки. Система (2) первичной катушки и система (4) вторичной катушки расположены по меньшей мере, по существу, коаксиально. Система (4) вторичной катушки включает в себя первую секцию (4a) катушки и вторую секцию (4b) катушки. Первая секция (4a) катушки системы (4) вторичной катушки расположена радиально внутри витков (3) системы (2) первичной катушки. Вторая секция (4b) катушки системы (4) вторичной катушки расположена радиально снаружи витков (3) системы (2) первичной катушки. 16 з.п. ф-лы, 5 ил.
Наверх