ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 2, с. 3-8
УДК 621.317.2
ИМПУЛЬСНЫЙ СОЛЕНОИД С ОБМОТКАМИ ИЗ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ПРОВОДА Си-К © 2015 г. А. А. Быков1, *, С. И. Попков2,3, А. М. Паршин23, А. А. Красиков3
1Санкт-Петербургский государственный университет, физический факультет, кафедра ядерно-физических методов исследования, 198504 Санкт-Петербург, Россия 2Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, 660036 Красноярск, Россия 3Сибирский федеральный университет, 660041 Красноярск, Россия *Е-шаИ: redi87@bk.ru Поступила в редакцию 14.08.2014 г.
Исследована конструкция соленоида с обмотками из наноструктурированного провода Си—№. Аналитически и численно рассчитаны электромагнитные, механические и тепловые параметры соленоида. Из сопоставления расчетных и экспериментальных данных, полученных при испытании соленоида, установлена его работоспособность при амплитудной напряженности генерируемого магнитного поля 40 Тл и длительности импульса 20 мс. Данные параметры позволяют использовать соленоид для решения актуальных задач экспериментальных научных исследований.
Ключевые слова: сильные импульсные магнитные поля, метод конечных элементов, композитные материалы.
БО1: 10.7868/80207352815020092
ВВЕДЕНИЕ
Известно [1], что создание магнитных полей с напряженностью свыше 30 Тл осложняется ограниченностью прочностных характеристик материалов, используемых для изготовления соленоидов. В настоящее время появляются новые материалы, позволяющие расширить эти границы. Такими материалами являются, например, суперпровода, представляющие собой матрицу из металла с внедренными в нее армирующими наноэлементами. Нанопровод обладает высокой прочностью (до 1300 МПа) и проводимостью (до 65% от проводимости отожженной меди), которые необходимы для создания соленоидов сильных магнитных полей. Рекордный на данный момент уровень напряженности магнитного поля 100 Тл при длительности импульса 5 мс без разрушения соленоида был достигнут с помощью проводов Си—МЪ [2]. Однако короткое время импульса соленоида не позволяет решать многие физические задачи при использовании различных экспериментальных методик исследований магнитных веществ, на которые накладываются паразитные эффекты, вызванные быстрым изменением магнитного поля. Кроме того, использование экстремально высоких полей негативно сказывается на ресурсе соленоида. В связи с этим целью настоящей работы явились расчет и изготовление соленоида из нанострукту-рированного медно-ниобиевого провода с напря-
женностью магнитного поля 40 Тл и длительностью импульса 20 мс.
РАСЧЕТ СОЛЕНОИДА
Для большинства экспериментальных методик, используемых при исследованиях в сильных магнитных полях (измерение эффекта Холла, электросопротивления, намагниченности образца), известны необходимые параметры импульса магнитного поля. К ним можно отнести симметричный фронт нарастания, однородность магнитного поля в образце, длительность импульса. С учетом данных требований была выбрана конструкция цилиндрического многовиткового соленоида с однородным по сечению распределением тока [3], которая к тому же технологична, проста для изготовления и расчетов. Внутренний диаметр соленоида зависит от размера криостата, необходимого для терморегуляции объема образца и вмещающего измерительный шток с образцом и датчиками. Исходя из размера исследуемых образцов и сопутствующего оборудования был выбран внутренний диаметр соленоида 20 мм.
В настоящее время существуют два основных метода расчета соленоидов: хорошо известный аналитический, который применяется достаточно давно [4], и численный, применяющийся с недавнего времени [5]. Аналитический метод имеет
0.20
0.15
^ 0.10 ет
0.05
1 • 2
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 к, м
Рис. 1. Зависимость внешнего радиуса Г2 (1) и коэффициентов Фабри О (2) от высоты соленоида к.
ограничения, связанные с точностью подбора коэффициентов, участвующих в расчете соленоида. Численный же метод позволяет решать только прямую задачу — расчет параметров заданной конструкции. В данной работе был использован аналитический метод при подборе оптимальной геометрии соленоида, и затем решалась задача удержания магнитного потока, создаваемого соленоидом, с помощью численного расчета с использованием компьютерных программ. Основная идея аналитического расчета, применявшегося в работе, — создание максимального поля при имеющихся энергетических возможностях и длине суперпровода, т.е. подбор оптимальных коэффициентов Фабри [1].
При заданных внутреннем радиусе соленоида г1 и длине провода Ь варьируемыми параметрами для геометрии соленоида выступают высота к и внешний радиус соленоида г2. Зависимость возможного внешнего радиуса от высоты для выбранной конструкции можно представить как
, 2 , е
Г2 = ^ + h '
LS
где е = —, а S — площадь сечения провода. Под-п
ставив данную формулу в выражение для коэффициентов Фабри, получим:
О = 0.2^2 а + 2 + Р2,
А/«2 -1 1 + 71 + в2
где а = —, в = —. Зависимость возможных коэф-
Г1 2Г1
фициентов Фабри от высоты соленоида представлена на рис. 1. Из рисунка видно, что кривая О(к) имеет максимум, который соответствует опти-
мальным геометрическим параметрам соленоида, принятым в качестве основных параметров для численных расчетов.
Численным методом конечных элементов в пакетах ANSYS Mechanical и ANSYS Maxwell были проведены расчеты электромагнитных и механических параметров. Модель соленоида задавалась в виде полого цилиндра с однородным распределением тока в объеме. Использовался трансцендентный тип анализа, соответствующий переходным процессам при пропускании импульсного тока через обмотку соленоида. Для моделирования схемы питания соленоида и экспериментальной установки использовалась программа ANSYS Circuit Editor. Электрическая схема для исследуемой модели представлена на рис. 2а. Методика позволила получить зависимости тока, протекающего по соленоиду, от времени (рис. 2б) без использования промежуточных аналитических расчетов. Из рисунка видно, что длительность импульса составляет около 20 мс, импульс симметричен, что удовлетворяет поставленной задаче. Вычисленные значения протекающего тока использовались в расчете напряженности магнитного поля в соленоиде, результат которого представлен на рис. 2в. Анализируя распределение аналитического спектра по сечению соленоида, представленного на рисунке, можно сделать вывод, что максимальное значение магнитного поля находится вблизи оси соленоида и занимает широкую область, соответствующую однородному распределению поля. Значения напряженности магнитного поля, полученные рассмотренным методом, были использованы для вычисления силы Лоренца и максимального давления, возникающего в объеме соленоида в зависимости от приложенного напряжения (рис. 2г). На основании расчета была сделана оценка и оптимизирована конструкция соленоида. В результате были получены следующие параметры: высота 74 мм, внутренний радиус 11 мм, внешний радиус 45 мм.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ СОЛЕНОИДА
При изготовлении соленоида был использован медно-ниобиевый нанотекстурированный провод [6] прямоугольного сечения с размерами 2 х х 3.5 мм с оптимальными значениями плотности тока и индуктивности. На рис. 3a приведена микрофотография поперечного сечения провода, выполненная с помощью электронного микроскопа Hitachi ТМ-3000. На фотографии видны медные островки размером ~60 нм, в которые упакованы нановолокна Nb размером ~15 нм.
Конструкция многовиткового соленоида приведена на рис. 3б. Нанотекстурированный провод, покрытый изолирующей полиамидной пленкой
1
ИМПУЛЬСНЫЙ СОЛЕНОИД (а) (б)
5 10 15 ?, мс
20
500
1000 и, в
1500 2000
Рис. 2. Электрическая схема установки: а — расчетная зависимость тока в соленоиде от времени; б — распределение интенсивности магнитного поля в правой части аксиального сечения соленоида; в — левая грань рисунка представляет ось соленоида, прямоугольник в центре — его сечение, левая часть спектра соответствует максимальной напряженности поля, правая — минимальной; г — максимальное давление, возникающее в объеме соленоида в зависимости от начального напряжения на питающих конденсаторах.
каптон марки 200FN919 с 50% перекрытием, помещался в дополнительную стекловолоконную изоляцию и наматывался на стеклотекстолитовый каркас мокрым способом. В качестве пропитки использовалась эпоксидная смола ЭД-20. Для упрочнения соленоида между его внутренними слоями были помещены прокладки из стеклоткани. Шинка была выведена спирально на разные торцы соленоида, разведена под 90° и приварена к медным токоподводящим щечкам. Торцы соленоида были утоплены в прижимные крышки, предотвращающие механические смещения в момент импульса и стянуты бронзовыми шпильками. Общий вид охлажденного соленоида, подготовленного к эксперименту, представлен на рис. 3в.
ИСПЫТАНИЯ СОЛЕНОИДА
Испытание соленоида проводилось на установке импульсных магнитных полей [6] с энергией 0.6 МДж при температуре жидкого азота. Соленоид подвергался действию серии нарастающих
по величине напряжения импульсов, в промежутке между которыми его охлаждали. В момент импульса регистрировалась временная зависимость напряженности магнитного поля в соленоиде, максимум которой соответствовал амплитудному значению поля. Напряженность магнитного поля измерялась датчиком Холла, помещенным в центр соленоида, а ток, протекающий через соленоид, — безындукционным шунтом, включенным последовательно в колебательный ЛХС-контур. Непосредственно после прохождения импульса магнитного поля измеряли активное сопротивление соленоида, по которому оценивался разогрев обмотки, и индуктивность соленоида, по которой можно было судить о деформациях, произошедших в обмотке за время импульса. Зависимости напряженности магнитного поля, индуктивности соленоида и разности температур обмотки до и после импульса от напряжения на конденсаторной батарее представлены на рис. 4а—в. Способность соленоида не разрушаться при генерации магнитного поля (усталостная прочность соленои-
(а)
Рис. 3. Микрофотография сечения проводника из Си—№> (а). Сборочный чертеж импульсного соленоида (б): 1 — бандаж
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.