водов специально для КЭМ еще ждет своего решения. Представляется целесообразным расширить номенклатуру проводов прямоугольного ечения иа токи от 200 до 1000 А.

К сверхпроводииковым обмоточным изделиям предъявляется ряд общих требований [1.16]: стабильные значения критических параметров; заданные геометрические размеры; заданная конструкция (диаметр элементарной нити, число нитей, шаг скрутки, транспозиция); определенное значение коэффициента заполнения; целостность нитей в проводе; необходимый уровень прочностных характеристик; сохранение физических характеристик в процессе намотки; устойчивость к циклическому воздействию температуры.

Помимо этого к проводу для КЭМ добавляются специфические требования: сохранение свойств при длительном воздействии центробежных ускорений до 50 000 м/с^; сохранение свойств под действием вибрационных нагрузок; получение больших скоростей ввода и вывода , тока при сохранении состояния сверхпроводимости.

Обеспечить эти требования оказалось непросто. Наиболее сложная задача - получение стабильных критических параметров. Решение этой задачи предопределило конструкцию и технологию изготовления провода из сверхпроводников. Стабилизация сверхпроводника заключается в устранении эффекта деградации, т. е. существенного снижения критических параметров обмотки по сравнению с параметрами коротких образцов провода.

Во.зчикновение нормальной фазы в локальной зоне сверхпроводника не должно переводить весь сверхпроводник в нормальное состояние. Этого можно достигнуть двумя путями: уменьшением иитенсивиости тепловыделения или улучшением условий теплоотвода при выделении энергии в сверхпроводнике.

Способы для повышения стабилизации заключаются в увеличении процентного содержания нормального металла высокой теплопроводности и уменьпшнии геометрического размера сверхпроводниковой жилы. При диаметре жилы менее 10-15 мкм скачки магнипюго потока практически невозможны. Поэтому провод содержит сотни и тысячи жил, находящихся в медной матрице. Чем больше коэффициент заполнения по сверхпроводнику, тем больше критический ток и тем ниже уровень стабилизации.

Другая конструктивная особенность многожильных сверхпроводников состоит в том, что жилы имеют форму спирали, для чего они скручиваются вокруг продольной оси (твистируются). Такая транспозиция необходима для снижения тепловыделений при изменении индукции магнитного поля. Характерным размером здесь слуяит шаг ! скрутки.

Физические процессы, происходящие в сверхпроводнике при воздействии переменного магнитного поля, достаточно сложны и связаны прежде всего с выделением тепловых потерь, которые можно \

эквийалентировать определенным электрическим сопротивлением. Следовательно, сверхпроводник на переменном токе уже ие вполне оправдывает свое название.

При работе сверхпроводника как материала для обмотки индуктора КЭМ полностью исключить влияние переменных магнитных полей не представляется возможным. Переменная составляющая магнитного поля при работе КЭМ обусловлена обмоткой якоря и зависит от пространственного и временного распределения возбуждаемого ею магнитного поля.

Изменение магнитного поля во -времени при вводе тока в сверхпроводниковую обмотку возбуждения также приводит к внутренним тепловыделениям.

Вследствие этих причин приходится ограничивать значения переменной составляющей магнитного поля в зоне обмотки возбуждения путем экранирования и уменьшением скорости ввода тока [1.19, 1.20].

Проблема работы сверхпроводников в переменных и импульсных магнитных полях характерна и для других объектов, прежде всего для ускорителей элементарных частиц. Для ее решения разработчиками сверхпроводников созданы специальные конструкции провода. Они отличаются значительным увеличением числа жил и уменьшением шага скрутки.

Например, в проводе диаметром 0,85 мм число жил доводится до 3025, диаметр жилы - до 10 мкм, и шаг скрутки--до 10 мм.

Провод иа основе сплава ниобий -титан обладает высокой технологичностью. Это обстоятельство сделало его практически единственным проводом, из которого изготавливаются обмотки возбуждения КЭМ различного назначения.

В условиях работы КЭМ, особенно при применении вращающего криостата, возможно повышение температуры в зоне расположения сверхпроводииковой обмотки. Ниобий-титановый сплав очень чувствителен к повышению температуры. Это видно из рис. 1.17, иа котором приведены зависимости критической плотности тока от индукции магнитного поля при различных температурах для короткого образца провода диаметром 1,0 мм. Если необходимо повысить температуру и критические значения магнитного поля, то следует обратиться к проводам из ниобий-олова.

8В/л

Рис. 1.17. Критические характеристики ниобий-титанового

провода

1.3.2. Сверхпроводшковые материалы На бснове интермвталлического соединения ниобий -олово

Соединение ниобий - олово было первым техническим сверхпроводником, нз которого в 1961 г. Кюнцлером был изготовлен соленоид с сильным магнитным полем. Ннобнеаая трубка заполнялась оловом после намотки нз нее соленоида последний подвергался отжигу, и на внутренней поверхности трубки образовывался слой ннтерметалла. В неи* на каждые три атома ннобня приходится одни атом олова -NbsSn-Это соединение имеет высокие критические параметры (критическая температура Гкр=18 К, критическое значение магнитной индукции В„р=23 Тл), которые вдвое превосходят соответствующие параметры сплавов ннобня. Способ получения сверхпрово.чникояой об.мотки, названный по последовательности технологического цикла намотка - отжиг , в течение ряда лет не находил широкого применения нз-за сложности его осуществления.

Первые сверхпроводннкн нз ннобнй - олова, которые нашлн техническое применение, были выполнены в виде тонкой ленты шириной от 3 до 20 мм. Лента содержит несколько слоев интерметаллического соединения толщиной несколько микрометров. Стабилизация провода обеспечивается слоями меди, которые наносятся гальваническим способом. Лента производится методом диффузии: исходная заготовка инобневая лента - пропускается через ванну с жидким оловом. Помимо стабилизирующего слоя из медн лента может содержать упрочняющий слой из нержавеющей стали. Опыт эксплуатации магнитных систем из ниобиево-оловянной ленты показал, что уровнь стабилизации невелик и ленточный сверхпроводник должен быть защищен от воздействия переменного магнитного потока. Создать ленту из NbsSn с тонкими разделенными нитями оказалось практически невозможным из-за хрупкости слоя интерметаллида.

В 1971 г. в США был предложен метод изготовления сверхпроводника путем диффузии олова в ниобий из бронзовой матрицы. Используя технологический процесс, разработанный ранее для производства ниобий-титанового провода, получают многожильный провод, содержащий нити ниобия в матрице из оловянистой бронзы. После отжига при температуре порядка 1073 К на поверхности нитей образуется слой интерметаллического соединения. Бронзовая матрица представляет собой медный сплав с высоким электрическим сопротивлением, что может привести к снижению уровня стабилизации провода. Поэтому в конструкцию провода вводят дополнительно специальный барьерный слой, предотвращающий отравление меди в процессе термообработки. Стабилизация провода может также осуществляться путем гальванического нанесения меди после термообработки.

В настоящее время промышленностью освоены многожильные сверхпроводниковые провода на основе ниобий -олова [1.16].

600 500

гсо

о г 4 S 8 10 1Z П В,Тл

Рис. 1.18. Сравнение критических характеристик ниобий-оловянного провода с ниобий-титановым

10 1Z П

Рис. 1.20. Температурная зависимость критических параметров сверхпроводниковых проводников (/к. - относительное значение критического тока)

200 160 120

О 1Z гч JB во 7Z Bf t,

Рис. 1.19. Зависимость критических параметров от режима термообработки

Ч /?,см

Рис. 1.21. Зависимость критического тока провода от радиуса изгиба

На рис. 1.18 приведена характеристика ниобий-оловянного провода диаметром 1,0 мм, имеющего 7225 жил. Диаметр жилы 5 мкм. Как установлено исследованиями, критические параметры ниобий-оловянного провода в большой степени зависят от режима термообработки [1.21].

На рис. 1.19 показана зависимость критического тока многожильного провода диаметром 1,0 мм при индукции магнитного поля 12 Тл от времени и температуры отжига. Из приведенных зависиостей видно, что оптимальный технологический режим отжига -при температуре 1072 К в течение 60 ч.

Сравнить параметры провода из ниобий-олова и широко распространенного провода из сплава ниобий -титан можно на примере Проводов диаметром 1,0 мм, характеристики которых при температуре 4,2 К приведены на рис. 1.18. Сравнение показывает, что ниобий-оловянный провод позволяет работать в области более сильных магнит-

Мых полей. В магиитиом Поле с индукцией 5 Тл значение критического тока ниобий-оловянного провода составляет 680 А, что в 1,4 раза выше, чем у ниобий-титанового провода, критический ток которого 490 А.

Изменение свойств проводов в зависимости от температуры показано иа рис. 1.20. Сравнение, проводимое по отношению к току при 4,2 К, показывает, что применение ниобий-оловянного провода позволяет расширить температурный диапазон работы сверхпроводниковых магнитных систем. Высокие свойства ниобий-оловянного сверхпроводника были бы весьма полезными при использовании его в конструкции КЭМ. Применение ниобий - олова дает возможность, в частности, отказаться от жидкостного и перейти иа газовое охлаждение криогенной системы, что позволяет упростить конструкцию и повысить надежность КЭМ.

Однако следует иметь в виду и негативные особенности ниобий-оловянного сверхпроводника. Основной его недостаток - хрупкость интерметаллического соединения. Провод из ниобий - олова требует повышенной аккуратности и соблюдения специальных мер при намотке: провод должен быть предварительно намотай иа специальные кассеты. На рис. 1.21 показано, как меняется критический ток провода диаметром 0,5 мм в зависимости от радиуса изгиба. .

При разработке материалов для обмоток возбуждения КЭМ особое внимание следует уделить электрической изоляции провода. Изоляция провода работает в необычных условиях, и к ней предъявляется ряд требований: длительная работа при температуре жидкого гелия под действием значительных внутренних сил; способность выдерживать многократные циклы изменения температуры от 4 до 300 К; технологическая совместимость с компаундами и наполнителями и способность выдерживать режим иамотки и термообработки катушки; повышенная электрическая прочность, так как при переходе сверхпроводника в нормальное состояние между витками обмотки может возникнуть разность потенциалов до нескольких киловольт.

Многолетний опыт применения сверхпроводников показал, что этим требованиям соответствуют эмаль-лаки типа винифлекс, полиэфир и полиимид [1.22].

1.4. Конструкционные материалы

Работы по созданию КЭМ со сверхпроводниковыми обмотками возбуждения поставили вопрос о необходимости применения коиструк-циоииых сталей со свойствами, которые не требовались в традиционных конструкциях электромашиностроения. Стали, предназначенные для изготовления роторов криотурбогенераторов, должны обладать: высокими механическими свойствами в температурном диапазоне 300-4,2 К, в том числе и достаточной пластичностью и вязкостью при температуре

38

4,2 К; вакуумной плотностью; иемагиитиостью в сильных магнитных полях в иапряжеином состоянии при криогенных температурах; технологичностью; высокими механическими свойствами сварных швов в диапазоне температур 300-4,2 К; низкой теплопроводностью в интервале температур 300-4,2 К.

Увеличение мощности создаваемых криотурбогенераторов приводит к повышению требований к механическим свойствам сталей для конструкции роторов криотурбогенераторов (табл. 1.3).

Таблица 1.3. Требования к механическим свойствам аустенитных сталей для роторов криотурэогеиераторов различной мощности

К настоящему времени в СССР проведен ряд исследований механических свойств сталей и сплавов для определения возможности их применения в конструкциях роторов КЭМ со сверхпроводниковымн обмотками. В табл. 1.4 приведены результаты этих исследований [1.25-1.27].

При создании криогенных узлов КЭМ, в особенности для машии малой мощности, применяется сталь 12Х18Н10Т. К достоинствам этой стали относятся технологичность обработки, широкий диапазон выпускаемых сортаментов. Сталь обладает высоким уровнем вязкости и пластичности в интервале температур от 293 до 4 К, однако имеет низкий предел текучести. В процессе низкотемпературного деформирования она претерпевает магнитное превращение и ее относительная магнитная проницаемость повышается до нескольких десятков.

У всех остальных сталей, указанных в табл. 1.4, с понижением температуры от 293 до 20 К прочностные свойства (о^, и сТо,2) увеличиваются. При охлаждении до 4,2 К у стали 0Х20Н4АГ10 эти параметры падают. Наименьшее . увеличение прочностных свойств наблюдается у сплавов 36НХТЮ, 03ХН40МТЮБР и ХН63М9Б20.

Реакция иа концентрацию напряжений определяется отношением в,н/сГо,2, где Ств,в -временное сопротивление для образцов с надрезом, которое больше единицы у всех материалов, кроме стали