RU2528407C2

RU2528407C2 - Method to activate high-temperature superconductors in range of cryogenic temperatures below critical value and device for its implementation

Info

Publication number: RU2528407C2
Application number: RU2012139673/07A
Authority: RU
Inventors: Юрий Федорович Антонов
Priority date: 2012-09-17
Filing date: 2012-09-17
Publication date: 2014-09-20
Also published as: RU2012139673A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering, to the units for using the superconductivity effect, and can be used in the installations for the activation of high-temperature superconductors (HTSC). Transport current from an external DC source is supplied to HTSC 9 after switch terminals 1, 2 are closed. The transport current passing through the HTSC 9 interacts with the quantised strings of magnetic flux 7 and provides for Lorenz force which moves the string of magnetic flux 7 in the direction perpendicular to the transport current flow direction. After switch terminals 1, 2 are opened the magnetic flux in the HTSC 9 remains captured by the pinning centres. The electromagnetic energy stored in the HTSC 9 and the losses occurred in the mode of viscous movement of the quantised magnetic flux strings 7 are balanced by the external DC source. So in the course of activation the heat energy is converted into the electric one responsible for the movement of the magnetic flux string 7 and into the electromagnetic one responsible for the availability of the positive permanent magnetisaton of the HTSC 9.

EFFECT: improved fabricability and quality of magnetisation process.

3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к средствам для использования эффекта сверхпроводимости и может быть использовано в установках для активации высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), которые могут быть массивными (синоним: объемными), толстыми или тонкими пластинами, лентами, пленками и фольгами.The invention relates to means for using the effect of superconductivity and can be used in installations for the activation of high-temperature superconductors (HTSC), which can be massive (synonym: bulk), thick or thin plates, tapes, films and foils.

Для оценки новизны и изобретательского уровня первого независимого объекта заявленного технического решения рассмотрим ряд известных из уровня техники решений аналогичного назначения.To assess the novelty and inventive step of the first independent object of the claimed technical solution, we consider a number of solutions of a similar purpose known from the prior art.

Известен способ намагничивания (активации) ВТСП в присутствии магнитного поля, известный как режим «field cooling process», см. Вандюк Н.Ю., Манзук М.В. Исследования намагничивания иттриевой ВТСП керамики // Проблемы создания и эксплуатации новых типов электроэнергетического оборудования. Выпуск 7. - СПб. -2006. - с.139-143, основанный на использовании источника внешнего стационарного магнитного поля. Процесс активации состоит из следующих действий. ВТСП, при «комнатной» температуре (~300°К) находящийся в нормальном, т.е. несверхпроводящем состоянии, размещается на штатном месте в установке для активации. После включения источника внешнего стационарного магнитного поля ВТСП охлаждается криоагентом, вплоть до достижения температуры Т ниже критической Т_с, присущей данному ВТСП. Критической температурой Т_с является температура фазового перехода ВТСП из сверхпроводящего в нормальное состояние и наоборот, в зависимости от направления изменения температуры Т. В диапазоне температур от «комнатной» до критической Т_с ВТСП находится в нормальном состоянии. Благодаря этому он пронизывается магнитным потоком от источника внешнего стационарного магнитного поля. Когда температура Т ВТСП становится ниже критической Т_с, ВТСП переходит в сверхпроводящее состояние. Так как все ВТСП, благодаря дефектам в их структуре, являются жесткими сверхпроводниками 2-го рода, то полное выталкивание магнитного поля из объема ВТСП, согласно эффекту Мейсснера-Оксенфельда, не происходит. При выключении источника внешнего стационарного магнитного поля часть магнитного потока остается в объеме ВТСП, закрепляясь на центрах пиннинга, обеспечивая тем самым его остаточную положительную намагниченность. Пиннингом (от англ. pin - булавка) называется эффект, создаваемый естественными и/или искусственно созданными дефектами - центрами пиннинга в сверхпроводнике, который препятствует свободному перемещению квантованных нитей магнитного потока (синонимы: сверхпроводящих вихрей, вихрей Абрикосова, флюксоидов).A known method of magnetization (activation) of HTSC in the presence of a magnetic field, known as the "field cooling process", see Vandyuk N.Yu., Manzuk MV Studies of the magnetization of yttrium HTSC ceramics // Problems of creating and operating new types of electric power equipment. Issue 7. - St. Petersburg. 2006. - p.139-143, based on the use of an external stationary magnetic field source. The activation process consists of the following actions. HTSC, at "room" temperature (~ 300 ° K) is in normal, i.e. non-superconducting state, placed in a regular place in the installation for activation. After turning on the source of the external stationary magnetic field, the HTSC is cooled by a cryoagent, until the temperature T is below the critical T _c inherent in this HTSC. The critical temperature T _c is the temperature of the phase transition of the HTSC from the superconducting to the normal state and vice versa, depending on the direction of the temperature T. In the temperature range from “room” to the critical T _with HTSC, it is in the normal state. Due to this, it is penetrated by magnetic flux from the source of an external stationary magnetic field. When the temperature T of the HTSC becomes lower than the critical T _s , the HTSC transitions to the superconducting state. Since all HTSCs, due to defects in their structure, are type 2 rigid superconductors, the full expulsion of the magnetic field from the HTSC volume, according to the Meissner-Oksenfeld effect, does not occur. When the source of the external stationary magnetic field is turned off, part of the magnetic flux remains in the HTSC volume, being fixed at the pinning centers, thereby ensuring its residual positive magnetization. Pinning (from the English pin - pin) is the effect created by natural and / or artificially created defects - pinning centers in a superconductor, which prevents the free movement of quantized magnetic flux filaments (synonyms: superconducting vortices, Abrikosov vortices, fluxoids).

Недостатком данного способа является его низкая эффективность, обусловленная сложностью криостатирования активируемого ВТСП, связанного с поэтапным криогенным охлаждением для перевода ВТСП из нормального состояния в сверхпроводящее.The disadvantage of this method is its low efficiency, due to the complexity of the cryostatization of activated HTSC associated with phased cryogenic cooling to transfer HTSC from a normal state to a superconducting one.

Известен способ активации ВТСП в нулевом магнитном поле, так называемый режим «zero field cooling process». В этом способе активации также используется источник внешнего магнитного поля, создающий стационарное магнитное поле, см. Ковалев Л.К. и др. Электромеханические преобразователи на основе массивных высокотемпературных сверхпроводников.- М: МАИ-ПРИНТ. - 2008. - с.440. Этот способ активации отличается от вышеописанного способа чередованием этапов активации. ВТСП охлаждается в отсутствие внешнего стационарного магнитного поля. После достижения температуры ВТСП ниже критической, Т<Т_с, источник внешнего стационарного магнитного поля включается. Для проникновения магнитного поля в ВТСП необходимо, чтобы индукция В внешнего стационарного магнитного поля превышала магнитную индукцию поля проникновения, которая близка по значению первому (нижнему) критическому B_с1,присущему ВТСП. При В>B_c1 внешнее стационарное магнитное поле инициирует появление квантованных нитей магнитного потока в поверхностном слое ВТСП. Толщина этого поверхностного слоя зависит от эффективности центров пиннинга, которые препятствуют квантованным нитям магнитного потока распределиться равномерно по объему ВТСП. Вследствие закона электромагнитной индукции в поверхностном слое ВТСП индуцируется ЭДС, которая наводит ток, обеспечивающий экранирование от внешнего стационарного магнитного поля внутренней области ВТСП. С ростом внешнего стационарного магнитного поля возникает состояние, когда поле занимает весь объем ВТСП, а плотность экранирующего тока достигает критического значения J_c. Критической плотностью тока по определению является плотность тока J_c, при которой сверхпроводник, в данном случае ВТСП, переходит из сверхпроводящего в нормальное состояние и наоборот, в зависимости от направления изменения тока. Дальнейшее увеличение внешнего стационарного магнитного поля происходит без его экранирования.A known method of activating HTSC in a zero magnetic field, the so-called "zero field cooling process". This activation method also uses an external magnetic field source that creates a stationary magnetic field, see L. Kovalev. et al. Electromechanical converters based on massive high-temperature superconductors. - M: MAI-PRINT. - 2008 .-- p.440. This activation method differs from the above method by alternating activation steps. HTSC is cooled in the absence of an external stationary magnetic field. After reaching a temperature of HTSC below critical, T <T_from, the source of the external stationary magnetic field is turned on. For the magnetic field to penetrate into the HTSC, it is necessary that the induction B of the external stationary magnetic field exceeds the magnetic induction of the penetration field, which is close in value to the first (lower) critical B_s1,inherent in HTSC. When B> B_c1 an external stationary magnetic field initiates the appearance of quantized magnetic flux filaments in the surface layer of an HTSC. The thickness of this surface layer depends on the efficiency of the pinning centers, which prevent the quantized filaments of the magnetic flux from distributing uniformly throughout the HTSC volume. Due to the law of electromagnetic induction, an EMF is induced in the surface layer of the HTSC, which induces a current that provides shielding from the external stationary magnetic field of the inner region of the HTSC. With an increase in the external stationary magnetic field, a state arises when the field occupies the entire HTSC volume and the screening current density reaches a critical value J_c. The critical current density, by definition, is the current density J_cin which the superconductor, in this case the HTSC, passes from the superconducting to the normal state and vice versa, depending on the direction of the current change. A further increase in the external stationary magnetic field occurs without screening.

Обратный процесс уменьшения внешнего стационарного магнитного поля происходит по сценарию прямого процесса, с той разницей, что центры пиннинга препятствуют выходу квантованных нитей магнитного потока из объема ВТСП. При нулевом значении внешнего стационарного магнитного поля ВТСП имеет положительную намагниченность. Повторная активация ВТСП или использование для этой цели более мощного источника внешнего стационарного магнитного поля принципиально не может увеличить положительную намагниченность, которая зависит исключительно от электрофизических свойств ВТСП. Недостатком этого способа активации ВТСП является то, что для его реализации требуется источник внешнего стационарного магнитного поля, создающий магнитное поле, более интенсивное, чем источник внешнего стационарного магнитного поля, применяемый в первом способе активации. В связи с этим требованием увеличиваются масса и габариты источника внешнего стационарного магнитного поля и установки для активации в целом.The reverse process of reducing the external stationary magnetic field occurs according to the scenario of the direct process, with the difference that the pinning centers impede the exit of quantized magnetic flux filaments from the HTSC volume. At a zero value of the external stationary magnetic field, the HTSC has a positive magnetization. Reactivating HTSCs or using a more powerful source of an external stationary magnetic field for this purpose cannot fundamentally increase the positive magnetization, which depends solely on the electrophysical properties of HTSCs. The disadvantage of this method of HTSC activation is that its implementation requires an external stationary magnetic field source that creates a magnetic field more intense than the external stationary magnetic field source used in the first activation method. In connection with this requirement, the mass and dimensions of the source of the external stationary magnetic field and the installation for activation as a whole increase.

Общим недостатком вышеописанных способов активации ВТСП является невозможность получения равномерно распределенного в объеме ВТСП магнитного поля. Это обусловлено тем, что намагничивание описанными выше способами описывается «моделью критического состояния», которая предопределяет возникновение пирамидальной формы остаточного магнитного поля в ВТСП. Из-за близкой к пирамидальной форме остаточного магнитного поля в намагничиваемом ВТСП средняя индукция захваченного центрами пиннинга магнитного потока существенно (примерно в два раза) снижается, что ухудшает энергетические характеристики активированных такими способами ВТСП. Кроме этого, источник внешнего стационарного или импульсного магнитного поля должен создавать магнитный поток с существенно более высокой индукцией, чем индукция магнитного поля положительной остаточной намагниченности, достигаемой в ВТСП.A common disadvantage of the above methods of HTSC activation is the inability to obtain a magnetic field uniformly distributed in the HTSC volume. This is due to the fact that the magnetization described above is described by the "critical state model", which determines the appearance of the pyramidal shape of the residual magnetic field in the HTSC. Due to the residual magnetic field in a magnetized HTSC, which is close to the pyramidal shape, the average induction of the magnetic flux captured by the pinning centers decreases significantly (about two times), which worsens the energy characteristics of the HTSC activated by such methods. In addition, the source of an external stationary or pulsed magnetic field must create a magnetic flux with a significantly higher induction than the magnetic field induction of positive residual magnetization achieved in HTSC.

В качестве ближайшего аналога выбран способ поэтапной активации ВТСП за счет использования управляемого магнитопроводящего слоя, см. патент GB №2431519, в котором описан метод активации ВТСП путем создания бегущей волны магнитного потока через площадь элемента и создания управляемого слоя магнитного материала. Способ включает неоднократное применение бегущей волны магнитного потока в сверхпроводнике. При каждом проходе бегущей волны магнитный поток в сверхпроводнике генерирует постоянный ток. Для создания волны магнитного потока применяется поле меньше, чем критическое поле сверхпроводника.As the closest analogue, the method of phased activation of HTSC through the use of a controlled magnetically conductive layer is selected, see GB Patent No. 2431519, which describes a method for activating HTSC by creating a traveling wave of magnetic flux through the element area and creating a controlled layer of magnetic material. The method includes the repeated use of a traveling magnetic flux wave in a superconductor. With each passage of the traveling wave, the magnetic flux in the superconductor generates direct current. To create a magnetic flux wave, a field less than the critical field of a superconductor is used.

Недостатком данного способа является его нетехнологичность, обусловленная сложностью процесса активации сверхпроводника, для чего требуется размещение в криогенной зоне датчиков и сложная внешняя аппаратура управления процессом нагрева.The disadvantage of this method is its low technology, due to the complexity of the process of activation of the superconductor, which requires placement in the cryogenic zone of the sensors and sophisticated external equipment for controlling the heating process.

Для оценки новизны и изобретательского уровня второго независимого объекта заявленного технического решения рассмотрим ряд известных из уровня техники решений аналогичного назначения.To assess the novelty and inventive step of the second independent object of the claimed technical solution, we consider a number of solutions known from the prior art for similar purposes.

Известен индуктор для импульсного намагничивания изделий из магнитотвердых материалов, который содержит пару идентичных контурных электродов, выполненных каждый из шин с высокой проводимостью в виде совокупности коаксиальных цилиндрических дуг, смежные концевые участки которых соединены между собой попарно односторонними перемычками, образуя возвратно-поступательную спираль с внешним и внутренним выводами, при этом односторонние перемычки у каждого из контурных электродов выполнены в форме П-образных вертикально ориентированных переходов, основания каждого из которых опираются сверху на внешние горизонтальные торцы концевых участков попарно соединяемых коаксиальных цилиндрических дуг, а противолежащие друг другу внутренние выводы обоих контурных электродов и идентичные друг другу внешние выводы обоих контурных электродов и идентичные друг другу внешние выводы обоих контурных электродов выполнены в виде Г-образных шин, расположенных над внешней торцевой плоскостью соответствующих контурных электродов и присоединенных основанием вертикальных ветвей Г-образных шин к горизонтальным торцам концевых секций коаксиальных цилиндрических дуг соответствующих контурных электродов индуктора, см. патент РФ №2094878. Для работы этого устройства требуется мощный источник внешнего магнитного поля.Known inductor for pulsed magnetization of products from hard magnetic materials, which contains a pair of identical contour electrodes made each of the tires with high conductivity in the form of a set of coaxial cylindrical arcs, adjacent end sections of which are interconnected in pairs by one-sided jumpers, forming a reciprocating spiral with an external and internal conclusions, while one-sided jumpers at each of the contour electrodes are made in the form of U-shaped vertically oriented transitions, the bases of each of which rest on top of the external horizontal ends of the end sections of pairwise connected coaxial cylindrical arcs, and the opposing internal leads of both loop electrodes and the outer leads of both loop electrodes and the outer leads of both loop electrodes that are identical to each other are made in the form Г-shaped tires located above the outer end plane of the corresponding contour electrodes and connected by the base of the vertical branches Г-arr azine tires to the horizontal ends of the end sections of the coaxial cylindrical arcs of the corresponding contour electrodes of the inductor, see RF patent No. 2094878. This device requires a powerful source of external magnetic field.

Известно устройство для активации сверхпроводников, в том числе ВТСП, см. Глебов И.А., Лаверик Ч., Шахтарин В.Н. Электрофизические проблемы использования сверхпроводимости. Л.: Наука, 1980, содержащее сверхпроводниковый соленоид, размещенный в криостате, выводные концы которого соединены с токовводами, к которым присоединен внешний источник постоянного тока, располагающийся вне криостата.A device is known for activating superconductors, including HTSC, see Glebov I.A., Laverik Ch., Shakhtarin V.N. Electrophysical problems of the use of superconductivity. L .: Nauka, 1980, containing a superconducting solenoid located in a cryostat, the output ends of which are connected to current leads, to which an external DC source located outside the cryostat is connected.

Недостатком данного устройства для активации сверхпроводников, в том числе ВТСП, является то, что сверхпроводниковый соленоид имеет большие массу и размеры и малый рабочий объем для размещения в нем активируемого ВТСП, что сужает номенклатуру активируемых ВТСП узлов и деталей.The disadvantage of this device for activating superconductors, including HTSCs, is that the superconducting solenoid has large mass and dimensions and a small working volume for accommodating an activated HTSC in it, which narrows the range of activated HTSC assemblies and parts.

Этот недостаток устраняется в устройстве для активации ВТСП, см. Coombs Т.А., Hong Z., Yan Y., Rawlings C.D. Superconductors: The Next Generation of Permanent Magnets // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2008. - N. 6. October 2008. Известное устройство для активации ВТСП - сверхпроводниковая магнитная система содержит источник внешнего стационарного магнитного поля, ферромагнитный сердечник, управляемый магнитопроводящий слой, ВТСП, изоляционный слой и криогенную ванну. Управляемый магнитопроводящий слой изготовляется из материала, магнитные свойства которого изменяются от ферромагнитного состояния до диамагнитного состояния, и этим процессом можно управлять. Примером такого материала является гадолиний Gd, имеющий точку Кюри Т=289 К (16°С). Для изменения свойств управляемого магнитопроводящего слоя применяют нагреватели. Криоагент в криогенной ванне должен иметь температуру ниже критической температуры Т_с ВТСП. В устройстве криоагентом служит жидкий азот, температура кипения которого равна 77,3 К, т.е. ниже критической температуры Т_с активируемого ВТСП, например, из керамики YВа₂Cu₃O₇, у которой Т_с~90 К.This drawback is eliminated in the device for activating HTSCs, see Coombs, T.A., Hong Z., Yan Y., Rawlings CD Superconductors: The Next Generation of Permanent Magnets // IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2008.- N. 6. October 2008. A known device for activating HTSCs is a superconducting magnetic system that contains an external stationary magnetic field source, a ferromagnetic core, a controllable magnetic conductive layer, HTSC, an insulating layer and a cryogenic bath. The controlled magnetically conductive layer is made of a material whose magnetic properties vary from a ferromagnetic state to a diamagnetic state, and this process can be controlled. An example of such a material is gadolinium Gd having a Curie point of T = 289 K (16 ° C). To change the properties of the controlled magnetically conductive layer, heaters are used. The cryogenic agent in the cryogenic bath should have a temperature below the critical temperature T _with HTSC. In the device, cryo-agent is liquid nitrogen, the boiling point of which is 77.3 K, i.e. below the critical temperature T _c activated by HTSC, for example, from ceramics YВа ₂ Cu ₃ O ₇ , in which Т _с ~ 90 K.

Устройство для активирования ВТСП - сверхпроводниковая магнитная система обеспечивает процесс активирования, который состоит из повторяющегося воздействия на ВТСП внешнего стационарного магнитного поля с малой индукцией путем волнообразного изменения магнитного потока в объеме ВТСП вплоть до достижения в нем заданного значения магнитной индукции, которое зависит от электрофизических свойств ВТСП, и работает следующим образом. Активируемый ВТСП из керамики YВа₂Cu₃O₇ криостатируется посредством заливки жидкого азота в криогенную ванну. Температура управляемого магнитопроводящего слоя из Gd устанавливается равной 273 К (0°C). Для создания волнообразного магнитного поля, перемещающегося от краев ВТСП к его центру, температура управляемого магнитопроводящего слоя из Gd с помощью нагревателя циклически изменяется в технологическом диапазоне 289-273-289 К, переводя управляемый магнитопроводящий слой из Gd, соответственно, в диамагнитное (289 К) - ферромагнитное (273 К) - диамагнитное (289 К) состояния, и т.д. В результате магнитный поток источника внешнего стационарного магнитного поля с каждым циклом волнообразного магнитного поля увеличивает остаточную положительную намагниченность ВТСП. При этом в процессе активации индукция магнитного потока, создаваемого источником внешнего стационарного магнитного поля, всегда остается намного меньше индукции магнитного потока, захваченного центрами пиннинга ВТСП. Вместе с тем, захваченный магнитный поток, по сравнению с тремя вышеописанными способами активации, более равномерно распределяется в объеме ВТСП.Device for activating HTSC - a superconducting magnetic system provides an activation process that consists of repeated exposure to HTSC of an external stationary magnetic field with small induction by wave-wise changing the magnetic flux in the HTSC volume until it reaches a predetermined value of magnetic induction, which depends on the electrophysical properties of HTSC , and works as follows. Activated HTSC from YBa ₂ Cu ₃ O ₇ ceramics is cryostat by pouring liquid nitrogen into a cryogenic bath. The temperature of the controlled magnetically conductive layer of Gd is set equal to 273 K (0 ° C). To create a wave-like magnetic field moving from the edges of the HTSC to its center, the temperature of the controlled magnetically conductive layer from Gd with the help of a heater cyclically changes in the technological range of 289-273-289 K, translating the controlled magnetically conductive layer from Gd, respectively, into a diamagnetic (289 K) - ferromagnetic (273 K) - diamagnetic (289 K) states, etc. As a result, the magnetic flux of the source of the external stationary magnetic field with each cycle of the wave-like magnetic field increases the residual positive magnetization of the HTSC. Moreover, during the activation process, the induction of the magnetic flux generated by the source of the external stationary magnetic field always remains much less than the induction of the magnetic flux captured by the pinning centers of the HTSC. At the same time, the captured magnetic flux, in comparison with the three activation methods described above, is more evenly distributed in the HTSC volume.

Недостатком известного устройства - сверхпроводниковой магнитной системы является сложность и ненадежность регулирования нагрева управляемого магнитопроводящего слоя в технологическом диапазоне температур и обусловленный этим недостаток качества активации сверхпроводникового слоя.A disadvantage of the known device, the superconducting magnetic system, is the complexity and unreliability of regulating the heating of the controlled magnetic conductive layer in the technological temperature range and the resulting lack of quality of activation of the superconducting layer.

Задачей изобретения является разработка способа намагничивания ВТСП, обеспечивающего технологичность и высокое качество процесса намагничивания ВТСП в электротехнических устройствах, в которых требуется постоянная активация ВТСП по месту его штатного расположения, а также и создание устройства для реализации этого способа, имеющего улучшенные эксплуатационные характеристики, удобство монтажа и увеличенный срок службы.The objective of the invention is to develop a method of magnetizing HTSC, ensuring the manufacturability and high quality of the magnetization process of HTSC in electrical devices that require constant activation of HTSC in the place of its regular location, as well as creating a device for implementing this method with improved performance, ease of installation and extended service life.

Сущность первого независимого объекта изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого изобретением технического результата.The essence of the first independent object of the invention is expressed in the following set of essential features, sufficient to achieve the above technical result provided by the invention.

Способ активации высокотемпературных сверхпроводников в области криогенных температур ниже критического значения путем воздействия на высокотемпературный сверхпроводник стационарного магнитного поля с низкой магнитной индукцией, характеризующийся тем, что через высокотемпературный сверхпроводник пропускают постоянный электрический ток плотностью ниже критического значения J_c, а значение магнитной индукции стационарного магнитного поля устанавливают ниже второго (верхнего) критического значения В_c2. Вторым (верхним) критическим значением магнитной индукции поля является значение, при котором сверхпроводник, в данном случае ВТСП, переходит из сверхпроводящего в нормальное состояние и наоборот, в зависимости от направления изменения магнитной индукции. Постоянный ток, протекая через высокотемпературный сверхпроводник, взаимодействует с квантованными нитями магнитного потока, зарождающимися в поверхностном слое высокотемпературного сверхпроводника, перемещая их вглубь, тем самым обеспечивая активацию высокотемпературного сверхпроводника с использованием внешнего источника магнитного поля с малой индукцией и внешнего источника постоянного тока с малой плотностью тока в активируемом высокотемпературном сверхпроводнике.A method for activating high-temperature superconductors in the region of cryogenic temperatures below a critical value by exposing a high-temperature superconductor to a stationary magnetic field with low magnetic induction, characterized in that a constant electric current with a density below the critical value J _{c is} passed through the high-temperature superconductor, and the magnetic induction of the stationary magnetic field is set below the second (upper) critical value In _c2 . The second (upper) critical value of the magnetic induction of the field is the value at which the superconductor, in this case HTSC, passes from the superconducting to the normal state and vice versa, depending on the direction of change of the magnetic induction. A direct current flowing through a high-temperature superconductor interacts with quantized magnetic flux filaments originating in the surface layer of a high-temperature superconductor, moving them inward, thereby activating a high-temperature superconductor using an external magnetic field source with low induction and an external constant current source with a low current density in an activated high-temperature superconductor.

Кроме того, первый независимый объект изобретения характеризуется рядом факультативных признаков, а именно:In addition, the first independent object of the invention is characterized by a number of optional features, namely:

- через высокотемпературный сверхпроводник пропускают постоянный электрический ток ниже критического значения, периодически, по меньшей мере один раз, изменяя направление тока, обеспечивая перемещение квантованных нитей магнитного потока с двух поверхностных слоев активируемого высокотемпературного сверхпроводника.- a direct electric current below a critical value is passed through a high-temperature superconductor, periodically, at least once, changing the direction of the current, ensuring the movement of the quantized magnetic flux filaments from two surface layers of the activated high-temperature superconductor.

Сущность второго независимого объекта изобретения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого изобретением технического результата.The essence of the second independent object of the invention is expressed in the following set of essential features, sufficient to achieve the above technical result provided by the invention.

Устройство для реализации вышеописанного способа, содержащее источник внешнего стационарного магнитного поля, ферромагнитный сердечник, криогенную ванну и высокотемпературный сверхпроводник, характеризующееся тем, что на торцах высокотемпературного сверхпроводника установлены электроды, соединенные через переключатель с источником питания.A device for implementing the above method, containing a source of external stationary magnetic field, a ferromagnetic core, a cryogenic bath and a high-temperature superconductor, characterized in that electrodes are connected at the ends of the high-temperature superconductor connected through a switch to a power source.

Использование изобретения обеспечит получение технического результата, заключающегося в возможности применения новой технологии активации сверхпроводников в электрических машинах и устройствах при их сборке, ремонте и эксплуатации, в том числе после потери криоагента и его восстановления. Особенно остро проблема активации ВТСП узлов стоит для электрических машин и устройств, где ВТСП используются как постоянные магниты. Проблема активации усугубляется тем, что, во-первых, ВТСП потенциально, вследствие внутренне присущих им электрофизических свойств, могут намагничиваться до полей с индукцией 10 Тл и более, во-вторых, ВТСП узлы в процессе эксплуатации требуют периодической активации. Немалые технологические трудности вызывает сборка электрической машины и устройства, так как намагниченность имеет место только у криостатированных ВТСП, находящихся в сверхпроводящем состоянии. Технология намагничивания ВТСП узлов может реализовываться в процессе сборки электрической машины и устройства (in-situ - по месту) или после окончания монтажных работ (ex-situ - бывших на месте). В лучшем случае активацию надо производить в процессе сборки по месту (in-situ). Это обусловлено тем, что во время эксплуатации электрической машины и устройства ВТСП узлы размагничиваются из-за крипа и «течения» магнитного потока, изменяющегося внешнего (прежде всего перпендикулярного ВТСП узлу) магнитного поля, а также по причине потери криогенного охлаждения, вынуждающей осуществлять разборку и последующую сборку электрической машины или устройства.Using the invention will provide a technical result, consisting in the possibility of applying a new technology for the activation of superconductors in electrical machines and devices during their assembly, repair and operation, including after the loss of the cryoagent and its recovery. The problem of activation of HTSC nodes is especially acute for electric machines and devices where HTSC are used as permanent magnets. The activation problem is aggravated by the fact that, firstly, HTSCs, due to the intrinsic inherent electrophysical properties, can be magnetized to fields with induction of 10 T or more, and secondly, HTSC nodes during operation require periodic activation. Considerable technological difficulties are caused by the assembly of an electric machine and device, since magnetization occurs only in cryostated HTSCs in a superconducting state. The technology of magnetizing HTSC assemblies can be implemented during the assembly of an electric machine and device (in-situ - in place) or after completion of installation work (ex-situ - in-place). In the best case, activation should be done during the in-situ assembly process. This is due to the fact that during operation of the electric machine and the HTSC device, the nodes are demagnetized due to the creep and "flow" of the magnetic flux, the external magnetic field (primarily perpendicular to the HTSC node), and also due to the loss of cryogenic cooling, which forces disassembly and subsequent assembly of the electrical machine or device.

Таким образом, техническим результатом способа и устройства намагничивания ВТСП является улучшение характеристик намагничивания ВТСП.Thus, the technical result of the method and device for magnetizing HTSC is to improve the magnetization characteristics of HTSC.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена электрическая схема заявленного устройства. На чертеже позициями обозначены: 1, 2, 3, 4 - клеммы переключателя, 5, 6 - выводные клеммы внешнего источника постоянного тока, 7 -квантованная нить магнитного потока, 8 - источник внешнего стационарного магнитного поля, 9 - ВТСП. На чертеже все элементы схемы, кроме ВТСП 9, располагаются вне криогенной зоны.The invention is illustrated in the drawing, which shows the electrical circuit of the claimed device. In the drawing, the positions indicated: 1, 2, 3, 4 — switch terminals, 5, 6 — output terminals of an external direct current source, 7 — quantized magnetic flux thread, 8 — source of an external stationary magnetic field, 9 — HTSC. In the drawing, all circuit elements except HTSC 9 are located outside the cryogenic zone.

Заявленный способ реализуют следующим образом.The claimed method is implemented as follows.

Активация ВТСП 9 осуществляется следующим образом. После замыкания клемм 1, 2 переключателя к ВТСП 9 подается транспортный ток от внешнего источника постоянного тока. Транспортный ток течет от одного края ВТСП 9 к другому. Транспортный ток, протекая через ВТСП 9, взаимодействует с квантованными нитями магнитного потока 7 и создает силу Лоренца, которая перемещает квантованные нити магнитного потока 7 в направлении, перпендикулярном направлению течения транспортного тока. Движение квантованных нитей магнитного потока 7 происходит до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между силами пиннинга и Лоренца. После размыкания клемм 1, 2 переключателя магнитный поток в ВТСП 9 остается захваченным центрами пиннинга. Несмотря на то, что центры пиннинга расположены в объеме ВТСП 9 хаотически, плотность магнитного потока в ВТСП 9 будет более равномерной, чем в вышеописанных случаях активации.The activation of HTSC 9 is as follows. After the terminals 1, 2 of the switch are closed, transport current from an external DC source is supplied to the HTSC 9. Transport current flows from one edge of the HTSC 9 to the other. The transport current flowing through the HTSC 9 interacts with the quantized filaments of the magnetic flux 7 and creates a Lorentz force that moves the quantized filaments of the magnetic flux 7 in a direction perpendicular to the direction of flow of the transport current. The movement of the quantized filaments of the magnetic flux 7 occurs until an equilibrium is reached between the pinning and Lorentz forces. After the terminals 1, 2 of the switch are opened, the magnetic flux in the HTSC 9 remains captured by the pinning centers. Despite the fact that the pinning centers are located randomly in the volume of HTSC 9, the magnetic flux density in HTSC 9 will be more uniform than in the above activation cases.

Запасаемая в ВТСП 9 электромагнитная энергия и возникающие в режиме вязкостного движения квантованных нитей магнитного потока 7 потери компенсируются внешним источником постоянного тока. Таким образом, в процессе активации происходит преобразование тепловой энергии в электрическую, ответственную за движение квантованных нитей магнитного потока 7, и в электромагнитную, ответственную за наличие положительной остаточной намагниченности ВТСП 9.The electromagnetic energy stored in the HTSC 9 and the losses arising in the regime of viscous motion of the quantized filaments of the magnetic flux 7 are compensated by an external direct current source. Thus, in the activation process, thermal energy is converted into electrical energy, which is responsible for the movement of quantized filaments of magnetic flux 7, and electromagnetic, which is responsible for the presence of a positive residual magnetization of HTSC 9.

Claims

1. The method of activation of high-temperature superconductors in the cryogenic temperature range below a critical value by exposing a high-temperature superconductor to a stationary magnetic field with low magnetic induction, characterized in that a constant electric current is passed through the high-temperature superconductor below a critical value, and the value of the stationary magnetic field is set below the upper critical values.

2. The method according to claim 1, characterized in that a constant electric current is passed through a high-temperature superconductor below a critical value at least once, changing the direction of the current,

3. The device for implementing the method according to claim 1, containing a source of external stationary magnetic field, a ferromagnetic core, a cryogenic bath and a high-temperature superconductor, characterized in that at the ends of the high-temperature superconductor there are electrodes connected through a switch to a power source.