RU171954U1

RU171954U1 - Магнитная система с двухсекционным высокотемпературным сверхпроводящим магнитом

Info

Publication number: RU171954U1
Application number: RU2016152084U
Authority: RU
Inventors: Игорь Анатольевич Руднев; Николай Александрович Минеев; Сергей Владимирович Покровский; Максим Андреевич Осипов; Дмитрий Александрович Абин
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники, а более конкретно - к сверхпроводящим магнитным системам, используемым для создания магнитных полей, и может быть использована в промышленном и лабораторном оборудовании, в том числе установках магнитно-резонансной томографии и ядерного магнитного резонанса.Магнитная система с двухсекционным высокотемпературным сверхпроводящим магнитом состоит из: 1 - криостата магнитной системы с радиационным экраном 2, 3 - криорефрижератора, 4 - внешней секции магнита, на катушку соленоида которой намотан провод из материала MgB, 5 - внутренняя секция магнита, на катушку соленоида которой намотан ленточный ВТСП, 6 - пары токовводов, питающие внешнюю секцию магнита, 7 - пары токовводов, питающие внутреннюю секцию магнита.Полезная модель позволяет расширить функциональные возможности магнитной системы за счет возможности создания магнитного поля более 30 Тл, а также есть возможность работы магнитной системы при температуре более 4 К.

Description

Полезная модель относится к области электротехники, а более конкретно - к сверхпроводящим магнитным системам, используемым для создания магнитных полей, и может быть использована в промышленном и лабораторном оборудовании, в том числе установках ядерного магнитного резонанса.

Известна сверхпроводящая магнитная система [1], применяемая в установке ядерного магнитного резонанса, с двухсекционным магнитом, идентичные по конструкции секции которого расположены на одной оси с зазором для установки образца. На катушки соленоидов секций магнита наматывается провод из материала NbTi, создавая в зазоре между секциями магнитное поле величиной 7 Тл. Другая реализация этой магнитной системы использует намотку на катушки секций соленоида провода Nb₃Sn. Применение такого сверхпроводящего провода приводит к тому, что магнитное поле, создаваемое в зазоре для установки образца, достигает 14 Тл. Соответственно, описанная конструкция магнитной системы не позволяет получить в зазоре для установки образца магнитное поле величиной более 14 Тл.

Наиболее близким к заявленной полезной модели является сверхпроводящий магнит [2], взятый за прототип. Сверхпроводящий магнит состоит из двух секций, которые представляют из себя наборы коаксиальных соленоидов, вложенных один в другой, выполненные из низкотемпературных сверхпроводящих проводов. Катушки соленоида внешней секции сверхпроводящего магнита намотаны проводом из NbTi. Катушки соленоидов внутренней секции намотаны проводом сверхпроводника Nb₃Sn с большей критической температурой, чем NbTi, что необходимо для проводимости тока в сверхпроводящем состоянии в большем магнитном поле. Обе секции магнита подключены между собой последовательно, а далее через одну пару токовводов запитываются от внешнего источника тока. Максимальное магнитное поле, создаваемое данной магнитной системой, составляет 21.1 Тл. Система охлаждения магнитной системы выполнена в виде заливного криостата со сверхтекучим гелием при температуре 1.8 К, в который помещаются две коаксиальные секции магнита.

Однако такая конструкция не позволяет создавать магнитное поле величиной более 21.1 Тл, что позволило бы проводить исследования физических свойств материалов в более высоких магнитных полях. Кроме того, данная система является достаточно дорогостоящей в силу необходимости работы при низких температурах.

Технический результат направлен на расширение функциональных возможностей магнитной системы за счет возможности создания магнитного поля более 30 Тл, а также возможности работы магнитной системы при температуре более 4 К.

Этот результат достигается тем, что магнитная система с двухсекционным высокотемпературным сверхпроводящим магнитом, содержит криостат, в котором размещены две коаксиальных секции магнита - внешняя и внутренняя и система охлаждения. На катушку соленоида внешней секции магнита намотан провод из материала MgB₂, а на катушку соленоида внутренней секции магнита намотана лента ВТСП. Кроме того, она снабжена двумя парами токовводов, одна из которых подключена к внешней секции магнита, а другая - к внутренней соответственно.

Поле необратимости проводов из материала MgB₂, то есть минимальное поле, при котором критический ток сверхпроводника обращается в ноль, достигает магнитного поля в 29 Тл. Соответственно эффективно использовать такие провода для намотки на катушки соленоида, что определяется условием величины критического тока более 100 А, можно в магнитных полях менее 25 Тл. Таким образом, внешняя секция магнита, на катушку соленоида которой намотан провод из материала MgB₂, способна создавать магнитное поле не более 25 Тл. Для дальнейшего увеличения магнитного поля до величины в 30 Тл и выше необходимо использовать ВТСП ленты. Поле необратимости у лент ВТСП значительно превосходит 30 Тл, что позволяет использовать соленоиды с применением такого сверхпроводника для создания магнитов с магнитным полем более 30 Тл. Таким образом, внутренняя секция магнита создает дополнительное к первой секции магнитное поле более 5 Тл, одновременно экранируя от создаваемого магнитного поля внутренние витки внешней секции магнита, обеспечивая дополнительную защиту внешней секции магнита. Такое соотношение создаваемого поля между внутренней секцией из MgB₂ и внешней секцией из ВТСП обусловлено тем, что создание соленоидов из ВТСП ленты осложнено значительной трудоемкостью намотки ленты ВТСП в виде набора двойных спиралей, а также значительной стоимостью проводника по сравнению с проводами из материала MgB₂. Эта особенность требует минимизации размеров внутренней секции магнита. Каждая из секций магнита подключена к внешнему источнику тока через отдельную пару токовводов, что обеспечивает необходимый уровень надежности работы магнитной системы, а также позволяет увеличивать поле во внутренней секции магнита с большей скоростью, за счет меньшей индуктивности соленоида. Таким образом, за счет выбранных параметров предложенная магнитная система позволяет с одной стороны достигать более высоких магнитных полей и, дополнительно, применять эту систему при более высоких температурах.

В частном случае, в качестве системы охлаждения магнита может быть использован криорефрежератор, что значительно уменьшает габариты магнитной системы и создает дополнительную возможность работать при температуре 4 К и более.

Конкретный пример устройства поясняется фигурой, на которой изображен: 1 - криостат магнитной системы, 2 - радиационный экран, 3 - криорефрижератор, 4 - внешняя секция магнита, на катушку соленоида которой намотан провод из материала MgB₂, 5 - внутренняя секция магнита, на катушку соленоида которой намотан провод из ленточного ВТСП, 6 - пара токовводов, питающая внешнюю секцию магнита, 7 - пара токовводов, питающая внутреннюю секцию магнита.

Устройство работает следующим образом. Двухсекционный магнит 4-5, помещенный в вакуумный объем криостата 1 магнитной системы и защищенный от лучистого теплоприттока медным радиационным экраном 2, охлаждается криорефрижератором 3. После полного охлаждения магнитной системы через отдельную пару токовводов 7 запитывается внешняя секция соленоида, создавая поле не более 25 Тл. Внутренняя секция магнита 5, обладающая меньшей индуктивностью, запитывается через отдельную пару токовводов 6 с большей скоростью, создавая дополнительное магнитное поле более 5 Тл, позволяя достигнуть суммарного магнитного поля более 30 Тл.

Таким образом, полезная модель позволяет расширить функциональные возможности магнитной системы за счет возможности создания магнитного поля более 30 Тл, а кроме того, работы магнитной системы при температуре более 4 К.

Источники информации:

1. М. Tsuchiya, Т. Wakuda, K. Maki, Т. Shiino, Н. Tanaka, N. Saho, Н. Tsukamoto, S. Kido, K. Takeuchi M. Okada, and H. Kitaguchi Development of Superconducting Split Magnets for NMR Spectrometer // IEEE Transactions On Applied Superconductivity - 2008 - Vol.18(2) - P. 840-843.

2. W. Denis Markiewicz, Iain R. Dixon, Charles A. Swenson, W. Scott Marshall, Robert P. Walsh, Thomas Painter, Steven van Van Sciver. Method of manufacturing a superconducting magnet. US 6735848 В1, МПК H01F6/00, H01F 41/04, приоритет от 24.09.1999, опубликовано 18.05.2004.

Claims

1. Магнитная система с двухсекционным высокотемпературным сверхпроводящим магнитом, содержащая криостат, в котором размещены две коаксиальных секции магнита - внешняя и внутренняя и система охлаждения, отличающаяся тем, что на катушку соленоида внешней секции магнита намотан провод из материала MgB₂, а на катушку соленоида внутренней секции магнита намотана лента высокотемпературного сверхпроводящего проводника, кроме того, она снабжена двумя парами токовводов, одна из которых подключена к внешней секции магнита, а другая - к внутренней соответственно.

2. Магнитная система по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве системы охлаждения выбран криорефрежератор.