Файл: Ейльман, Л. С. Проводниковые материалы в электротехнике.pdf

скими магнитными полями в десятки тысяч ампер на метр и самой высокой температурой перехода. Обычно это химические соединения типа А3В (например, iNb3Sn, V3Ga, V3Si и т. п.). В последнее время получены интер­ металлические соединения ниобия с алюминием и герма­ нием, имеющие критическую температуру перехода, близ­ кую к 21 К.

При изготовлении сверхпроводящих магнитов в основ­ ном используют сплавы на основе Nb—Zr, Nb—Ti, Nb—Sn. Однако постепенно начинают входить в практи­ ку трехкомпонентные сплавы. Так, например, фирма Ми­ цубиси выпускает трехкомпоиентный сплав Nb—Zn—Ti. Проводник из этого сплава, снабженный медным покры­ тием, позволяет пропускать ток 500 а.

В Японии1 запатентованы сплавы: :Nb—30%, Ti—69%, V—1%, которые имеют критическую магнитную индук­ цию 12 тл, в то время как у двухкомпонентного сплава Nb—Zr критическая магнитная индукция не превышает

7тл.

Японский сплав2 (Nb— 18%, Ge—5%, Ti — остальное)

имеет критическое магнитное поле 0,125 тл при токе 10 а и диаметре сверхпроводника 0,25 мм и 0,045 тл при токе 70 а и том же диаметре. Это значительно выше, чем у сплава, содержащего 45% Nb и 55% Ti или 22% Ti и 78% Nb (фирма Атомикас Интернейшл).

Переход сверхпроводника из нормального состояния в сверхпроводящее определяется магнитным полем, тем­ пературой и плотностью тока. Достижение предельного значения любым из указанных параметров или их опре­ деленной комбинацией является вполне достаточным, чтобы вызвать быстрый переход системы. Обычно в каче­ стве одной из основных характеристик сверхпроводника рассматривают зависимость его токонесущей способности от приложенного магнитного поля; эту зависимость оп­ ределяют на коротких образцах, погруженных в жидкий гелий. Характеристики снимают при увеличении тока в постоянном внешнем магнитном поле или при увеличе­ нии внешнего магнитного поля при постоянном токе, или

88

перехода. Полученные этими методами характеристики не всегда совпадают.

Так, ниобий-циркониевые и пиобий-титановые сплавы имели относительно низкие критические поля и темпера­ туры, технология их изготовления была довольно проста. Они не требовали последующей термообработки для об­ разования химического соединения. Поэтому первые сверхпроводящие соленоиды в основном изготовлялись из этих сплавов. Однако вскоре было установлено, что токонесущая способность указанных материалов значи­ тельно меньше, чем рассчитанная на основании испыта­ ний коротких образцов. Кроме того, она значительно уменьшалась по мере увеличения размеров соленоидов. Эти явления получили название деградационных эффек­ тов (Л. 44].

Изучение характеристик коротких образцов в по­ стоянном и переменном магнитных полях выявило пара­ метры, оказывающие наибольшее влияние на токонесу­ щую способность проводника и, следовательно, на рабо­ тоспособность соленоида. При изготовлении первых со­ леноидов одной из актуальных проблем была защита катушек от повреждений в случае перехода соленоида из сверхпроводящего состояния в нормальное при мак­ симальных значениях магнитных индукций и токов. Этот процесс эквивалентен вводу в соленоид участка нормаль­ ного проводника с сопротивлением в несколько ом на метр. Энергия, запасенная в магнитном поле соленоида, выделяется в виде тепла на этом участке, размеры кото­ рого быстро увеличиваются.

Следовательно, неконтролируемый переход из сверх­

участке проводника, что вызывает разрушение проводни­

энергии и увеличивающие постоянную времени переход­ ного процесса, либо шунтируют каждый или несколько слоев обмотки так, чтобы большая часть тока соленоида проходила через шунт, либо, наконец, покрывают сверх­ проводник тонким слоем меди, тем самым замедляя про­ цесс перехода за счет уменьшения сопротивления провод­

89

ника в нормальном состоянии. В больших соленоидах для защиты обмотки используют один или совокупность перечисленных способов. Энергия, запасенная в магнит­ ной системе, окончательно выводится в виде тепла при испарении жидкого гелия, по мере того как температура обмотки возвращается к 4,2 К после выхода из сверхпро­ водящего состояния.

Наложение магнитного поля уменьшает вероятность появления скачков потока в сверхпроводнике и тем са­ мым стабилизирует его. Требуемый уровень стабилизи­ рующего поля зависит от поперечных размеров и типа сверхпроводника. Применение такого поля позволяет получать наибольшую плотность тока в соленоидах с большими магнитными индукциями, но не исключает необходимости защиты обмотки при выходе из сверхпро­ водящего состояния.

Использование скрученных многопроволочных конст­ рукций сверхпроводников с дополнительным медным шунтированием в обмотках соленоидов при соответст­ вующем охлаждении и жестком закреплении витков в об­ мотке позволило свести к минимуму деградационные эф­ фекты. Для этой цели в одних соленоидах использовали сверхпроводники, которые содержали 44% меди, нанесен­ ной гальваническим путем па поверхность проволоки; такое количество являлось максимально возможным при применении этого метода покрытия для данных размеров сверхпроводника (диаметр 0,25 мм).

В других соленоидах для получения монолитной кон­ струкции, скрученной из отдельных проволок, применя­ ются пропитывающие металлы. Поскольку сплавы при низких температурах обладают меньшей электрической проводимостью, чем чистые металлы, предпочтение в криопроводниковой технике отдается последним. Металлы с высокой температурой плавления и значительным срод­ ством к меди обычно не применяются, так как они могут растворять топкий слой меди, нанесенный гальваниче­ ским методом на сверхпроводящую проволоку, тем са­ мым нарушая электрический контакт между сверхпро­ водником и медью. Проводники, не пропитанные метал­ лом, менее удобны в обращении вследствие отсутствия связи между отдельными проволоками конструкции.

В качестве пропитывающего металла используют ин­ дий. Пропитанные индием жилы, состоящие из шести одинаковых сверхпроводящих проволок, скрученных

90

с центральной проволокой того же' Диаметра, имели бо­ лее стабильные характеристики, чем вышеупомянутые сверхпроводники с гальванически осажденной медью, хотя пропускали токи с несколько меньшими плотностя­ ми и содержали до 70% меди [Л. 46, 47].

По своим свойствам кадмий также может быть ис­ пользован для пропитки покрытых медью сверхпроводя­ щих многопроволочпых конструкций, но вследствие его значительной хрупкости невозможно получить сверхпро­ водник приемлемой длины. В некоторых случаях был успешно применен свинец (99,999%), который в 10 раз дешевле индия. Высокую электрическую проводимость имеет и олово; однако при низких температурах оно пре­ терпевает полиморфные изменения и превращается в по­ рошок.

В качестве пропитывающего материала можно при­ менять оловянно-свинцовые припои. Припой обладает и лучшими изолирующими свойствами, чем медь, поэтому его чаще применяют в соленоидах с малыми временами возбуждения.

Введение в комбинированный сверхпроводник доба­ вочных медных проволок может привести к тому, что случайно возникшая нормальная зона не будет распро­ страняться по обмотке. Эта зона может быть ликвидиро­ вана при уменьшении тока в соленоиде. Исследования показали, что соленоиды, содержащие большое количе­ ство нормального металла, более стабильны, так как имеют большой коэффициент теплопередачи и лучшее шунтирование.

Для повышения прочности кабель снабжается внеш­ ней медной оплеткой, покрытой обмоткой из нихромовой проволоки, которая используется в качестве изоляции.

Комбинированные проводники для соленоидов могут быть изготовлены в виде ленточных проводников ква­ дратного или прямоугольного сечения, в которые закаты­ ваются сверхпроводящие жилы. Характеристики таких конструкций аналогичны характеристикам проводников, скрученных из отдельных проволок. Типичным примером полностью стабилизированного ленточного проводника является лента фирмы АВКО (США), в которой девять жил термообработанной ниобий-циркониевой проволоки диаметром 0,25 мм закатываются в медную ленту шири­ ной 12,7 мм и толщиной 1 мм. Преимущество такой лен­ ты состоит в том, что ее характеристики при использо-

91

iscliuM! 13 крупных магнитных системах полностью совпа­ дают с характеристиками короткого образца. Следовательно, параметры системы, изготовленной из этой ленты, могут быть предсказаны заранее. К недо­ статкам относится плохая технологичность и относи­ тельно малая гибкость. Проводники ленточного типа обычно выпускаются сравнительно короткими отрезками, что ведет к большому числу соединений внутри обмотки.

Рассматриваемые проводники являются высоко ста­ бильными вследствие благоприятного соотношения меж­ ду поверхностью и объемом и, следовательно, хороших условий охлаждения.

Гибкие ленточные проводники из ниобия и олова со­ держат обычно очень тонкий хрупкий слой Nb3Sn. По технологии фирмы Ар-Си-Эй (США) этот слой наносится путем осаждения из газовой фазы соответствующих хло­ ридов на подложку из нержавеющей стали, обеспечиваю­ щую необходимую прочность проводника. Новая гибкая лента фирмы Дженерал Электрик (США) состоит из ниобиевой подложки, окруженной тонким слоем Nb3Sn (полученным методом реактивной диффузии из жидкой фазы), который в свою очередь покрыт оловом. Ленты могут быть стабилизированы добавлением меди. Проч­ ность ленты фирмы Ар-Си-Эй может быть повышена уве­ личением толщины подложки из нержавеющей стали. Если узкие ленты пригодны для рядовой намотки соле­ ноида, то широкие ленты должны наматываться в виде индивидуальных плоских катушек.

Из вышеописанных лент были изготовлены сверхпро­ водящие соленоиды на поля с магнитной индукцией, пре­ вышающей 10 гл. Эти ленты успешно используются во многих лабораториях. Диффузионный процесс использует­ ся также фирмой Си-Эс-Эф (Франция) для получения лент различной ширины; в настоящее время эта фирма выпускает ленты шириной 3,2 и 6,4 мм при толщине от 10 до 20 мкм для использования в соленоидах с магнит­ ной индукцией до 20 тл (Л. 46, 47].

Совершенствование сверхпроводящих материалов за­ ключается в получении материалов с более высокими критическими полями, температурами, плотностями тока, большей стабильностью, технологичностью, прочностью, лучшими характеристиками при работе на переменном токе и меньшей стоимостью. Поиски новых сверхпрово­ дящих сплавов ведутся сейчас очень интенсивно. Есть

92

предполойсёнйя, 4to при йысоких Давйбйпйк водород Мбжет быть сверхпроводником. В последнее время появи­ лись надежды па создание органического вещества, об­ наруживающего сверхпроводимость при весьма высоких температурах, может быть, даже комнатных.

По предположению В. Литтла [Л. 6], сверхпроводи­ мость возможна в волокнах, состоящих из длинных поли­ мерных молекул, построенных в виде основной централь­ ной цепи с боковыми ответвлениями. Боковые ответвле­ ния легко поляризуются электрически. Поляризация при­ водит к особому экситонному взаимодействию между электронами, движущимися от центральной цени моле­ кулы. Это взаимодействие и объединяет их в особые группы. Литтл , также указал, что длинные полимерные молекулы в клетках мозга, возможно, находятся в кван­ товом состоянии, напоминающем сверхпроводящее, со­ гласно такому предположению память обусловлена незатухающими токами в этих клетках.

9. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРОВОДНИКОВ

В композиционных материалах различно ориен­ тированные слои соединяются в единое целое, обеспечи­ вая тем самым одинаковую прочность в нескольких на­ правлениях. Однако прочность слоистого материала в некоторых направлениях оказывается меньшей, чем прочность материала, все волокна которого ориентиро­ ваны в одном направлении.

Волокна хрупких материалов (например, стекла), используемые в композициях, всегда имеют трещины; поэтому под действием напряжений они разрушаются неодновременно. Очевидно, что непосредственно в месте разрыва волокно не несет какой-либо нагрузки. Однако на небольшом расстоянии от него волокно испытывает такую же нагрузку, как и окружающие его неразорванные волокна. Это связано с тем, что матрица, объеди­ няющая волокна, препятствует смещению концов разор­ ванных волокон. Пластическая деформация матрицы в направлении, параллельном направлению приложенно­ го напряжения, противодействует релаксации напряже­ ний в разорванном волокне. Начинают действовать сдвиговые напряжения, и постепенно возникают силы, удерживающие разорванное волокно от смещения в ма­ трице.

93