Результат интеллектуальной деятельности: КОМБИНИРОВАННЫЙ СВЕРХПРОВОДНИК

Изобретение относится к области прикладной сверхпроводимости и может быть использовано при изготовлении сильноточных сверхпроводников для работы в сильно нагруженных сверхпроводящих обмотках (механическое напряжение проводника >100 МПа), а также для сверхпроводящих обмоток и устройств, работающих в переменных режимах, например сверхпроводящих накопителей энергии, дипольных и квадрупольных магнитов для ускорителей заряженных частиц.

Известен комбинированный сверхпроводник, представляющий собой сплющенную, одноповивную скрутку из нескольких проводов с волокнами из сверхпроводящего материала (плоский транспонированный кабель резерфордовского типа (резерфордовская скрутка) - по имени лаборатории, где конструкция была разработана), см. Уилсон М. Сверхпроводящие магниты. М.: Мир, 1985, с. 359-363.

Недостатком известного комбинированного сверхпроводника является ограниченная способность работы в переменных режимах при скоростях изменения магнитного поля больше или порядка 1 Тл/с.

Переменные магнитные поля, перпендикулярные и параллельные широкой стороне скрутки, наводят экранирующие токи между проводами в слоях и между слоями, что приводит к выделению тепла от этой составляющей электрических потерь. Это тепло должно поглощаться либо сверхпроводником за счет собственной теплоемкости, если обмотка плотная без каналов для прохода хладагента, либо хладагентом.

Поскольку теплопоглощающая способность сверхпроводника 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 сверхпроводников в переменных режимах.

Известен теплостабилизированный сверхпроводник, содержащий волокна из сверхпроводящего материала в матрице из металла или сплава с высокими проводящими свойствами и соединение из редкоземельных металлов с экстремально высокой теплоемкостью при низких температурах (например, CeAl₃, CeCu₆, HoCu₂, PrB₆, Gd₂O₃, Gd₂O₂S, U₆Fe, UBe₁₃, UZn₁₇), либо в виде мелких частиц, диспергированных (распределенных) по всей матрице, либо в виде жил с существенно меньшим поперечным размером, чем сверхпроводящие волокна, причем эти жилы проходят по сверхпроводнику параллельно сверхпроводящим волокнам, либо в виде кольцевого слоя, окружающего матрицу, с одним сверхпроводящим волокном, либо в виде концентрических слоев, чередующихся с металлом матрицы, либо в виде собственно матрицы, содержащей в себе сверхпроводящие волокна [патент США №4623862, МПК P01F 7/22, 1986].

Введение соединения из редкоземельных элементов с экстремально высокой теплоемкостью (например, при температуре кипения жидкого гелия 4,2 К теплоемкость интерметаллида HoCu₂ в 450 раз больше, чем у меди, а у керамики Gd₂O₂S соответственно в 650 раз) в состав сверхпроводников с объемной долей 3-6% в 5-10 раз повышает их среднюю объемную теплоемкость. Соответственно возрастает их теплопоглощающая способность и способность к работе в переменных режимах, а также в условиях больших механических напряжений сверхпроводника, когда необходима способность противостоять импульсным локальным тепловыделениям механического происхождения (например, движение витков, растрескивание связующего витки материала и т.д.).

Недостатками известного теплоизолированного сверхпроводника являются практически непреодолимые трудности в его изготовлении. Невозможно обеспечить равномерное диспергирование (распределение) мелкодисперсного порошка из соединения редкоземельных металлов по объему матрицы сверхпроводника из-за невозможности равномерного размешивания этого порошка в расплаве меди, поскольку он существенно легче ее.

Ввиду того, что соединения из редкоземельных элементов (интерметаллиды, например PrB₆, или керамика Gd₂O₂S) относятся к классу химических соединений, отличительная черта которых - сложное строение кристаллической решетки, они теряют способность к пластической деформации. В этой связи сложно обеспечить необходимую для достижения заданных параметров деформацию композитной заготовки в присутствии высокотеплоемких элементов. Поэтому невозможно обеспечить стандартную операцию безобрывного волочения с обязательным для сверхпроводящих проводов скручиванием заготовки провода до нужных поперечных размеров и шага скручивания, когда соединения из редкоземельных металлов, так же как сверхпроводящий материал, помещены, например, в медную матрицу в виде стержней, из-за существенной разницы механических свойств. Также невозможно обеспечить безобрывное волочение заготовки сверхпроводника, но уже без скручивания, когда соединение из редкоземельных металлов размещено в матрице, например, медной, в виде одного или нескольких концентрических слоев, или само выполняет функцию матрицы.

Известен теплостабилизированный сверхпроводник, выполненный в виде матрицы из металла или сплава, содержащий волокна сверхпроводящего материала и соединение из редкоземельных металлов с высокой теплоемкостью. Сверхпроводник дополнительно содержит металлические трубки произвольного сечения, распределенные по сечению сверхпроводника, заполненные соединением редкоземельного металла методом "порошок-в-трубе". Сверхпроводник имеет наружную оболочку из металла с высокими проводящим свойствами. Трубки с соединением из редкоземельного металла могут быть распределены как по сечению сверхпроводника в матрице, так и в оболочке [Патент РФ №2334296, 2007].

Недостатками известного сверхпроводника являются снижение токонесущей способности из-за того, что часть сечения матрицы с волокнами сверхпроводящего материала заняты трубками с соединением из редкоземельного металла, а также ограничение по длине сверхпроводника, поскольку необходимость продольного многократного сверления предварительной заготовки для расположения в отверстиях трубок и дальнейшего деформирования огранивает ее длину длиной сверла.

Наиболее близким техническим решением является комбинированный теплостабилизированный сверхпроводник, содержащий провода, выполненные из волокон сверхпроводящего материала в матрице из металла с высокими проводящими свойствами - меди, и одну или более полых металлических оболочек, в полостях которых расположено соединение из резкоземельного металла с экстремально высокой теплоемкостью при низких температурах. Например - PrB₆. Оболочки имеют форму либо полого цилиндра, либо плоской ленты с внутренней полой прослойкой [патент РФ №2273906, 2006].

Недостатком известного теплостабилизированного комбинированного сверхпроводника является малая степень использования добавленной теплоемкости, обусловленная большим тепловым сопротивлением между сверхпроводящими проводами, в которых выделяется тепло, и оболочками с соединением из редкоземельного металла (высокотеплоемкой добавкой) из-за крайне низкой теплопроводности и достаточно большой толщины (~0,5-0,7 мм) жил или прослоек этой добавки. Поэтому при коротких тепловых возмущениях со временем ~1 мс, характерным для возмущений механического происхождения в напряженных сверхпроводящих обмотках, не происходит полного прогрева жил или прослоек высокотеплоемкой добавки за время возмущения и выделившееся тепло не успевает уйти из проводов в добавку.

Техническим результатом является повышение эффективности использования добавленной теплоемкости соединения редкоземельного металла за счет полного 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 >1 Тл/с и от импульсных локальных тепловыделений механического происхождения в условиях больших механических напряжений, сверхпроводника >100 МПа.

Для достижения указанного результата предложен комбинированный сверхпроводник, содержащий провода, выполненные из волокон сверхпроводящего материала в матрице из металла с высокими проводящими свойствами и соединение редкоземельного металла с экстремально высокой теплоемкостью при низких температурах, при этом он снабжен слоем из металлокерамической порошковой композиции, включающей в себя соединение редкоземельного металла, нанесенным методом холодного сверхзвукового газодинамического напыления.

Кроме того:

- провода с волокнами из сверхпроводящего материала объединены в сплющенную одноповивную скрутку, на внешней поверхности которой расположен слой металлокерамической порошковой композиции с соединением редкоземельного металла, а внутренние зазоры между проводами заполнены припоем,

- указанная сплющенная одноповивная скрутка впаяна в канавку проводника П-образного сечения из металла с высокими проводящими свойствами,

- указанный проводник выполнен из меди или алюминия,

- провода с волокнами из сверхпроводящего материала объединены в сплющенную одноповивную скрутку с внутренней прокладкой в виде медной ленты с нанесенным на нее по всему периметру слоем металлокерамической порошковой композиции с соединением редкоземельного металла, при этом провода припаяны к этому слою,

- комбинированный сверхпроводник дополнительно содержит центральный медный провод, вокруг которого с заданным шагом скручены и припаяны к нему провода с волокнами из сверхпроводящего материала, а слой металлокерамической порошковой композиции с соединением редкоземельного металла нанесен по внешнему периметру сверхпроводника.

Холодное сверхзвуковое газодинамическое напыление является методом получения функциональных покрытий, который основан на обнаруженном в 80^х годах эффекте закрепления твердых частиц, движущихся со сверхзвуковыми скоростями, при соударении с преградой (подложкой). В качестве напыляемых материалов используются различные металлокерамические порошковые композиции. Важно, что при получении таких покрытий тепловое воздействие на подложку не превышает 150°C, поскольку сверхпроводник нельзя перегревать выше 400°C, иначе он теряет сверхпроводящие свойства.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1-4 представлены поперечные сечения различных вариантов конструктивного исполнения комбинированного сверхпроводника, включающего в себя несколько проводов с волокнами сверхпроводящего материала в медной матрице, внешний или внутренний слои металлокерамической порошковой композиции, содержащей соединение редкоземельного металла с экстремально высокой теплоемкостью при низких температурах - высокотеплоемкую добавку (ВД), причем слой нанесен методом холодного (сверхзвукового) газодинамического напыления (ХГН). В качестве соединений редкоземельных металлов могут быть использованы, как было указано выше, CeAl3, CeCu6, HoCu2, PrB₆, Gd2O3, Gd2O2S, U6Fe, UBel3, UZn17.

На фиг. 5 представлены фотографии двух экспериментальных сплющенных одноповивных скруток - резерфордовских скруток с различными видами покрытий методом ХГН - верхняя светлая с покрытием без ВД, нижняя темная с ВД Gd2O3 (пример конкретного выполнения).

На фиг. 6 представлена зависимость удельной теплоемкости образцов - NbTi экспериментальных резерфордовских скруток с керамическим покрытием, отличающимся наличием или отсутствием ВД Gd2O3.

На фиг. 7 представлена электрическая схема эксперимента с продольными электромагнитными возмущениями, подаваемыми на образцы изготовленных экспериментальных резерфордовских скруток (индукционный нагрев поверхностными вихревыми токами) при разряде конденсатора на катушку индуктивности, окружающую образец.

На фиг. 8 представлена экспериментальная зависимость минимальной энергии конденсатора, переводящей образцы с ВД и без ВД при возмущении из сверхпроводящего в нормальное состояние, от транспортного тока и критического запаса по температуре.

Комбинированный сверхпроводник по первому варианту конструктивного исполнения (см. фиг. 1) представляет собой сплющенную, одноповивную скрутку из нескольких проводов с волокнами из сверхпроводящего материала 1 в медной матрице 2, пропаянную с внутренней поверхности проводов припоем 4, а с внешней поверхности покрытую слоем металлокерамической порошковой композиции с ВД 5, нанесенным методом ХГН. Например, с Gd2O3.

Комбинированный сверхпроводник по второму варианту конструктивного исполнения (см. фиг. 2) дополнительно содержит проводник из металла с высокими проводящими свойствами, например меди или алюминия, П-образного сечения 3, в канавку которого при помощи припоя 4 впаяна сплющенная, одноповивная скрутка из нескольких проводов с волокнами из сверхпроводящего материала 1 в медной матрице 2, покрытая с внешней поверхности слоем металлокерамической порошковой композиции с ВД 5, нанесенным методом ХГН.

Комбинированный сверхпроводник по третьему варианту конструктивного исполнения (см. фиг. 3) является сплющенной, одноповивной скруткой из нескольких проводов с волокнами из сверхпроводящего материала 1 в медной матрице 2 с внутренней прокладкой в виде медной ленты 6 с нанесенным на нее по всему периметру методом ХГН слоем металлокерамической порошковой композиции с ВД 5. Причем провода припаяны к слою 5 припоем 4.

Комбинированный сверхпроводник по четвертому варианту конструктивного исполнения (см. фиг. 4), как правило, используется в виде субкабеля для изготовления более сложных и сильноточных сверхпроводящих токонесущих элементов. Он состоит из нескольких проводов, содержащих волокна сверхпроводящего материала 1 в медной матрице 2 и скрученных с определенным шагом вокруг центрального медного провода 7 и припаянных к нему припоем 4. Сверхпроводник покрыт внешним слоем металлокерамической порошковой композиции с ВД 5, нанесенным методом ХГН.

Для проведения сравнительных экспериментов были изготовлены 2 идентичные скрутки резерфордовского типа длиной 250 мм (см. фиг. 5), состоящие из: одного центрального медного провода диаметром 0,5 мм и восьми стандартных NbTi одножильных проводов диаметром 0,33 мм (диаметр NbTi жилы 0,27 мм), расположенных вокруг центрального провода. Методом плоской прокатки образцам была придана прямоугольная форма сечения с размерами (2,3 мм×0,38 мм)=0,877 мм - до нанесение покрытия.

На первый образец методом ХГН было нанесено покрытие из порошковой смеси, мелкодисперсных частиц корунда (Al₂O₃) - 25% вес.(в смеси), меди - 25% вес. (в смеси) и оксида гадолиния Gd₂O₃ 50% (в смеси), обозначен далее как образец с ВД. Общая весовая доля покрытия на образце ~10%.

На вторую скрутку нанесено покрытие из порошковой смеси 50% вес. Al₂O₃+50% вес. Cu (далее - контрольный образец). Размеры поперечного сечения образцов с нанесенным покрытием (2,115 мм×0,625 мм)=1,322 мм².

Удельные теплоемкости обоих образцов определялись калориметрическим методом с относительной ошибкой измерений 2%. Для того чтобы определить процент ВД, закрепившийся на образце в процессе напыления исходной смеси, было проведено сопоставление измеренной зависимости теплоемкости образца от температуры с теоретической зависимостью (см. фиг. 6). Точками показаны результаты прямого измерения теплоемкости обоих образцов. Расчетная кривая для контрольного образца удовлетворительно совпадает с измерениями. Для образца с ВД Gd₂O₃ расчетная кривая, полученная в предположении, что весь распыленный порошок внедрен в скрутку, лежит гораздо выше, чем это наблюдалось в эксперименте. Путем подбора было найдено процентное содержание ВД Gd₂O₃, соответствующее эксперименту - 1 об.% (см. фиг. 6). Таким образом, на поверхности скрутки закрепилось только 20% высокотеплоемкой керамики от всей распыленной.

Образец с ВД-покрытием и контрольный образец скруток 8 крепились клеем 13 в деревянную теплоизолирующую оправку 9 и поочередно размещались в криостате с жидким гелием в зазоре магнита в форме рейстрека, создающего постоянное, поперечное к образцу магнитное поле с индукцией 3 Тл (см. фиг. 7). Внешнее поле требовалось для уменьшения критического температурного запаса сверхпроводника и имитации работы токонесущего элемента в реальной обмотке. Электромагнитные возмущения создавались с помощью медной катушки 10, расположенной на оправке 9 и окружающей образец 8 (см. фиг. 7). Катушка 10 при замыкании ключа 11 и разряде на нее конденсатора 12 создавала импульсное, продольное к образцу, переменное магнитное поле частотой 260 Гц с амплитудой индукции до 2 Тл и характерным временем затухания 0,9 мс. При этом происходил индукционный нагрев образца поперечными, экранирующими, поверхностными, вихревыми токами.

В процессе проведения сравнительных испытаний образца с ВД и контрольного образца без ВД подбиралась минимальная энергия конденсатора при разряде (критическая), переводящая образцы в нормальное состояние и прямо пропорциональная выделившемуся в образцах теплу при электромагнитном возмущении. Относительная ошибка измерений по энергии 5%. Измерения проводились в диапазоне транспортных токов от 200 А (ΔT_c(I,B)=2,15 К) до 400 А (ΔT_c(I,B)=0,47 К), в скобках указаны значения наиболее важного и универсального параметра для сравнения стабильности различных сверхпроводников - критического запаса сверхпроводника по температуре, зависящего от транспортного тока I и индукции магнитного поля В. Сравнение зависимостей от транспортного тока и критического запаса по температуре критической энергии конденсатора для образцов с ВД Gd₂O₃ и без ВД показано на фиг. 8. Видно, что, несмотря на малое содержание ВД (1%) в составе, рост стабильности образца ВД составил от ~40% до ~50% во всем диапазоне транспортных токов.

Проверить технический результат предлагаемой конструкции комбинированного сверхпроводника - повышение эффективности использования добавленной теплоемкости соединения редкоземельного металла Gd₂O₃ можно сравнив относительное повышение критической энергии конденсатора при электромагнитном возмущении образца, с ВД, прямо пропорциональной выделенному в образце теплу от индукционного нагрева, с относительным повышением теплоемкости образца с ВД по сравнению с контрольным образцом без ВД при средней критической температуре сверхпроводника в условиях эксперимента - 6,3 К. Относительное увеличение критической энергии конденсатора - 41% (см. фиг. 8), а относительное увеличение теплоемкости образца - 43% (см. фиг. 7). В пределах ошибок измерений можно утверждать о максимальной, 100% эффективности использовании добавленной ВД Gd₂O₃ теплоемкости.

Предлагаемое конструктивное выполнение позволяет использовать обычные конструкции комбинированных сверхпроводников и стандартные технологические операции для изготовления сверхпроводников с повышенными рабочими характеристиками в переменных режимах, например для сверхпроводящих индуктивных накопителей энергии или для дипольных и квадрупольных магнитов ускорителей заряженных частиц.

Предлагаемое изобретение также можно использовать при изготовлении сверхпроводников с повышенной устойчивостью к импульсным тепловыделениям для сверхпроводящих обмоток с большими механическими напряжениями в сверхпроводнике (~150 МПа).