Лабораторное устройство левитирующего квадруполя и приспособление для возбуждения тока в миксинах для этого устройства
Полезная модель относится к конструкции учебной модели системы из левитирующих сверхпроводящих магнитных колец. Эта модель содержит корпус, подъемный механизм для размещения на расстоянии друг от друга по вертикали двух кольцевой формы миксин из сверхпроводящего материала. Заполняемый жидким азотом корпус выполнен из нижнего отсека с закрепленным по центру основания вертикально ориентированным стержнем с метрической шкалой вдоль его длины, нижний отсек закрыт верхним отсеком в виде заполняемого жидким азотом лотка, в центре дна которого закреплена трубка, полость которой используется для ввода в нее стержня при опускании верхнего отсека в полость нижнего отсека и центровки неподвижной кольцевой катушки из сверхпроводящего материала. На плоском основании нижнего отсека установлены подставки для размещения неподвижной кольцевой катушки из сверхпроводящего материала. На боковой стенке нижнего отсека выполнено смотровое окно, закрытое пластиной из транспарантного материала. А подъемный механизм для размещения на расстоянии друг от друга по вертикали двух кольцевой формы миксин выполнен в виде двух расположенных на противоположных боковых стенках нижнего отсека подъемных устройства, каждый из которых включает в себя закрепленный на внешней стороне боковой стенке от осевого перемещения винт, на котором с возможностью перемещения вдоль оси этого винта размещен ползунок, к которому прикреплена лапка с опущенным в полость нижнего отсека диском для размещения на нем миксины. Диск одного подъемного устройства расположен под таким же диском другого подъемного устройства, в котором лапка выполнена с шарниром для подъема прикрепленного к ней диска в сторону при укладке миксины на нижнее располагаемый диск. Все элементы устройства выполнены из немагнитного материала, устойчивого к воздействию жидкого азота. 5 ил.
Полезная модель относится к области физики плазмы, в частности, касается конструкции магнитных систем ловушек-галатей, предназначенных для удержания замкнутого в тор плазменного объема в зоне, окруженной магнитным барьером. Такая магнитная система является основным элементом мультипольных магнитных ловушек - галатей. В частности, рассматривается учебная модель или учебное наглядное пособие системы из левитирующих сверхпроводящих магнитных колец.
Такие ловушки-галатеи с тремя миксинами описаны в ж. «Физика плазмы», 2006, том 32, 
3, стр.195-206, статья «Инжекция плазмы в Галатею «Тримикс», авторы А.И.Морозов, А.И.Бугрова, А.М.Бишаев, М.В.Козинцева, А.С.Липатов, В.И.Васильев и В.М.Струнников.
Так в RU 99267, H05H 1/24, G21B 1/00, опубл. 10.11.2010, описана плазменная ловушка тримикс, содержащая три миксины, каждая из которых представляет собой токонесущую витковую обмотку в виде замкнутого кольца, и расталкиватели, каждый из которых представляет собой токонесущую витковую обмотку в виде замкнутого кольца, при этом две миксины выполнены одинакового диаметра и размещены соосно на расстоянии друг от друга, третья миксина меньшего диаметра размещена между первыми двумя миксинами соосно последним, все расталкиватели размещены соосно миксинам, каждый из двух расталкивателей одинакового диаметра, величина которого больше диаметра миксины меньшего диаметра и меньше диаметра миксин с одинаковым диаметром, размещен в плоскости одной из миксин одинакового диаметра, а каждый из двух расталкивателей одинакового диаметра, величина которого больше диаметра миксин, выполненных с одинаковым диаметром, размещен между плоскостями, проходящими через одну из миксин с одинаковым диаметром и миксину меньшего диаметра.
Так же известно устройство левитирующего квадруполя, характеризующееся тем, что содержит корпус сферообразной формы, выполненный с возможностью удержания вакуума в полости и в сообщающейся с ним камере в нижней части корпуса, в которой на подъемном элементе размещены на расстоянии друг от друга по вертикали две кольцевой формы миксины в виде катушки каждая из сверхпроводящего материала, и снаружи которой размещен соленоид, предназначенный при пропуске через него тока для образования магнитного потока, проходящего через сечения указанных миксин, устройство охлаждения миксин для перевода последних в сверхпроводящее состояние и захвата магнитного потока, устройство отключения питания соленоида при формировании в миксинах в их охлажденном состоянии магнитного поля, подъемный узел для подъема охлажденных миксин из камеры в полость корпуса при отключенном соленоиде до уровня ниже расположенной снаружи корпуса в верхней его части соосно вертикальной оси корпуса катушки из сверхпроводящего материала для формирования наружного магнитного поля и компенсации гравитационного притяжения двух указанных охлажденных миксин. (RU 107656, Н05H 1/12, опубл. 20.08.2011).
Это устройство так же снабжено дополнительной катушкой из сверхпроводящего материала для формирования наружного магнитного поля и компенсации гравитационного притяжения двух указанных охлажденных миксин, при этом указанная дополнительная катушка размещена со стороны нижнее расположенной миксины или между миксинами.
В известном устройстве левитирующего квадруполя в верхней части снаружи камеры соосно с вертикальной осью последней размещена катушка из сверхпроводящего материала для формирования магнитного поля для поддержания в левитирующем состоянии двух миксин. В нижней части камеры соосно вертикальной оси последней смонтирован цилиндрический отсек, снаружи которого размещен соленоид. Внутри отсека размещены две миксины, расположенные на расстоянии друг от друга. Каждая миксина выполнена в виде катушки кольцевой формы из сверхпроводящего материала. Снаружи камеры размещены источник питания соленоида для формирования в миксинах в их охлажденном состоянии магнитного поля, блок формирования магнитного поля во всех внешних и внутренних кольцах из сверхпроводящего материала и устройство охлаждения (с применением жидкого азота) для миксин и других катушек из сверхпроводящего материала. Кроме того, в вакуумной камере смонтирован подъемный механизм для перемещения из отсека миксин из сверхпроводящего материала в полость вакуумной камеры. Снаружи камеры и в ее нижней части размещена дополнительная катушка из сверхпроводящего материала.
В этом устройстве достижения эффекта левитации (то есть создания равновесной конфигурации в магнитном поле и в поле тяготения) решено две задачи: компенсировано магнитное взаимодействие миксин (с помощью катушек-«расталкивателей») и компенсировано гравитационное притяжение миксин к Земле (с помощью «антигравитационных» катушек). В этой ловушке создано магнитного поле требуемой конфигурации, в котором барьерное магнитное поле 0,006Тл, силы притяжения между миксинами достигают FZ=50,35Н, а каждая миксина весит 10Н (при плотности сверхпроводящего вещества 5·103 кг/м3. Поэтому токи в расталкивателях будут иметь значения, сравнимые с токами в миксинах. А для противодействия полю тяготения в антигравитационных катушках достаточно будет использовать токи, которые на порядок меньше тока в миксинах. Это означает, что «поддерживающие» поля практически не будут возмущать основную магнитную конфигурацию, создаваемую миксинами.
Таким образом, эксперименты, выполненные в МИРЭА с несколькими сверхпроводящими кольцами, показали, что в известном устройстве одновременно два сверхпроводящих кольца, помещенные в поддерживающее магнитное поле соответствующей конфигурации, способны устойчиво левитировать. Таким образом, экспериментально было доказано существование устойчивого равновесия в таких системах.
Для перехода от левитирующего диполя к левитирующему квадруполю добились левитации двух взаимодействующих катушек с током путем включения в левитирующую систему дополнительных катушек, которые корректируют поле. Для этого сначала обе катушки в несверхпроводящем состоянии на заданном расстоянии друг от друга устанавливаются внутри соленоида. Затем по виткам соленоида пропускается ток, и через сечения обеих катушек устанавливается нужный магнитный поток. Катушки-миксины охлаждаются, переводятся в сверхпроводящее состояние и захватывают требуемый магнитный поток. Выключается поле соленоида, и катушки в сверхпроводящем состоянии формируют магнитное поле квадруполя. После чего с помощью подъемного механизма катушки перемещают в полость камеры на заданную высоту. Гравитационное воздействие на миксины компенсируется подачей тока в верхнюю сверхпроводящую катушку, которая также оказывает влияние на равновесие системы. Катушки-миксины освобождаются от опор подъемного механизма, занимают равновесное положение на заданной высоте в вакуумной камере в левитирующем положении (то есть без опоры) и могут использоваться в качестве ловушки для плазмы.
Рассмотренные аспекты формирования эффекта левитации получены на стационарной установке, обладающей достаточными габаритами и весом и определенной сложностью конструкции. Такие установки не имеют возможности перемещения и используются для проведения научных экспериментов в стационарных лабораторных условиях, которые не всегда территориально совместимы в местом проведения учебного процесса. Эффект левитации - это открытие, которое на сегодняшний день теоретически и практически доказано и обосновано в той мере, которую можно считать достаточной для введения это физического явления в учебный процесс в качестве самостоятельной темы. Но рассмотрение теоретических аспектов эффекта левитации не всегда позволяет в сознании учащегося сформировать правильный образ явления. Демонстрация эффекта на учебной модели позволяет усилить усвоение материала.
В результате поиска не выявлены аналоги, прямо относящиеся к учебной или лабораторной модели левитирующего квадруполя. Поэтому в качестве прототипа принята стационарная установка, описанная в RU 107656 как для учебной модели, так и для приспособления для возбуждения тока в миксинах.
Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции левитирующего квадруполя для придания ему функции демонстрационной модели и наглядного изучения эффекта левитации.
Указанный технический результат достигается тем, что в лабораторном устройстве левитирующего квадруполя, используемом в качестве учебного пособия, содержащем корпус, подъемный механизм для размещения на расстоянии друг от друга по вертикали двух кольцевой формы миксин из сверхпроводящего материала, соленоид, предназначенный при пропуске через него тока для образования магнитного потока, проходящего через сечения указанных миксин, подлежащий заполнению жидким азотом корпус выполнен из нижнего отсека в виде ограниченного боковыми стенками плоского основания с закрепленным по центру основания вертикально ориентированным стержнем из немагнитного материала с метрической шкалой вдоль его длины, нижний отсек закрыт верхним отсеком в виде выполненного из немагнитного листового материала и подлежащего заполнению жидким азотом лотка с боковыми стенками, в центре дна которого закреплена трубка из немагнитного материала, полость которой используется для ввода в нее указанного стержня при опускании верхнего отсека в полость нижнего отсека и центровки неподвижной кольцевой катушки из сверхпроводящего материала, размещаемой в полости верхнего отсека, на плоском основании нижнего отсека установлены подставки из немагнитного материала для размещения на них неподвижной кольцевой катушки из сверхпроводящего материала, на боковой стенке нижнего отсека выполнено смотровое окно, закрытое пластиной из транспарантного материала, подъемный механизм для размещения на расстоянии друг от друга по вертикали двух кольцевой формы миксин выполнен в виде двух расположенных на противоположных боковых стенках нижнего отсека подъемных устройства, каждый из которых включает в себя закрепленный на внешней стороне боковой стенке от осевого перемещения винт из немагнитного материала, на котором с возможностью перемещения вдоль оси этого винта размещен ползунок из немагнитного материала, к которому прикреплена лапка из немагнитного материала с опущенным в полость нижнего отсека диском из немагнитного материала для размещения на нем миксины, при этом диск из немагнитного материала одного подъемного устройства расположен под таким же диском другого подъемного устройства, в котором лапка выполнена с шарниром для подъема прикрепленного к ней диска в сторону при укладке миксины на нижнее располагаемый диск, при этом в качестве немагнитного материала использован материал, устойчивый к воздействию жидкого азота.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг.1 - общий вид лабораторного устройства левитирующего квадруполя;
фиг.2 - поперечный разрез по фиг.1;
фиг.3 - сечение А-A по фиг.2;
фиг.4 - подъемное устройство с шарнирно закрепленной лапкой;
фиг.5 - приспособление для намагничивания миксин.
Согласно настоящей полезной модели рассматривается лабораторное устройство, представляющее собой учебную действующую модель или работающее наглядное пособие для демонстрации эффекта левитации, принцип действия которой хорошо описан в патенте РФ 107656. Рассматриваемая модель повторяет физический процесс левитации в настольном исполнении и позволяет наглядно продемонстрировать левитацию двух взаимодействующих катушек с током путем включения в левитирующую систему дополнительных катушек, которые корректируют магнитное поле.
Такая модель содержит корпус, подъемный механизм для размещения на начальной стадии демонстрации процесса левитации на расстоянии друг от друга по вертикали двух кольцевой формы миксин каждая из сверхпроводящего материала (в качестве миксин используются керамические кольца из высокотемпературной сверхпроводящей (ВТСП) фазы Y-123. Заполняемый жидким азотом корпус выполнен из нижнего отсека с закрепленным по центру основания вертикально ориентированным стержнем с метрической шкалой вдоль его длины, нижний отсек закрыт верхним отсеком в виде заполняемого жидким азотом лотка, в центре дна которого закреплена трубка, полость которой используется для ввода в нее стержня при опускании верхнего отсека в полость нижнего отсека и центровки неподвижной кольцевой катушки из сверхпроводящего материала. На плоском основании нижнего отсека установлены подставки для размещения неподвижной кольцевой катушки из сверхпроводящего материала. На боковой стенке нижнего отсека выполнено смотровое окно, закрытое пластиной из транспарантного материала. Внутри нижнего отсека закреплен по крайней мере один светодиод, контакты которого выведены через боковую стенку или основание наружу и подключены к контактному узлу соединения с источником питания. Это обеспечивает подсветку полости корпуса для визуализации происходящего физического процесса.
Подъемный механизм для размещения на расстоянии друг от друга по вертикали двух кольцевой формы миксин выполнен в виде двух расположенных на противоположных боковых стенках нижнего отсека подъемных устройства, каждый из которых включает в себя закрепленный на внешней стороне боковой стенке от осевого перемещения винт, на котором с возможностью перемещения вдоль оси этого винта размещен ползунок, к которому прикреплена лапка с опущенным в полость нижнего отсека диском для размещения на нем миксины. Диск одного подъемного устройства расположен под таким же диском другого подъемного устройства, в котором лапка выполнена с шарниром для подъема прикрепленного к ней диска в сторону при укладке миксины на нижнее располагаемый диск. Все элементы устройства выполнены из немагнитного материала, устойчивого к воздействию жидкого азота.
Ниже рассматривается пример конкретного исполнения такой учебной лабораторной модели.
Модель демонстрационного устройства (фиг.1-3) состоит из нижнего отсека 1, закрытого верхним отсеком 2. Верхний отсек изготовлен в виде прямоугольной коробки лотка 3 из медного листа толщиной 0,5 мм. В центре дна коробки впаяна медная трубка 4, которая служит для центровки всей коробки при ее опускании в нижний отсек и центровки неподвижного кольца 5 из ВТСП при его размещении в верхнем отсеке. Нижний отсек 1 выполнен в виде ящика из фанеры или дерева толщиной 8 мм. Фанера была покрыта бесцветным нитролаком. В центре дна ящика прикреплен медный стержень 6 диаметром 8 мм. На стержень приклеена метрическая шкала, длина стержня превышает высоту нижнего отсека, и он служит для центровки всего устройства. На двух противоположных стенках нижнего отсека установлены два подъемных устройства 7 и 8. Подъемное устройство 7 или 8 (фиг.4) состоит из латунного винта 9, закрепленного с помощью двух скоб 10 на внешней стенке ящика отсека. На винт одет ползунок 11, выполненный из латуни. К ползункам 11 прикреплены лапки 12, выполненные из медной шинки. На концах лапок установлены диски 13, вырезанные из медного листа и на которые устанавливают (укладывают) миксины 14. Подъемное устройство, у которого лапка 12 расположена поверх другого диска, имеет шарнир 15, позволяющий поднимать часть 16 лапки с диском вверх. В этом откинутом вверх положении лапки на диск 13 нижней лапки устанавливают миксину 14. Для предотвращения ожогов на концах винтов 9 навернуты наконечники 17 из пластика. На дне нижнего отсека 18 установлены три подставки 19 для размещения на них неподвижного кольца 20 диаметром до 100 мм. На боковой стенке отсека сделано смотровое окно 21, закрытое двумя пластинами из толстого полиэтилена. Внутри отсека около окна размещены два светодиода 22, выводы от которых подсоединены к клемме 23, расположенной под днищем отсека. В дно отсека ввернуты четыре латунных болта 24. На них установлено все устройство. Это позволяет уменьшить теплообмен между отсеком и внешней средой. Ящик отсека собран из отдельных деталей из фанеры, которые скреплены межу собой замками из латуни.
Для моделирования эффекта левитации используются кольца-миксины, изготовленные из ВТСП керамики на основе фазы Y123, в которых могут индуцироваться токи вплоть до плотностей тока (0.5÷1)·104 A/см 2. Эти кольца в специальном приспособлении подвергаются намагничиванию (возбуждению тока). Установлено что, в кольцах диаметром до 35 мм можно возбудить ток на уровне нескольких кА. Такие кольца вполне пригодны для дальнейших экспериментов по наблюдению их левитации.
Конструкция устройства для намагничивания колец (фиг.5) выполнена в виде соленоида в каркасе из немагнитного материала с внутренним диаметром не менее 70 мм, длиной не менее внутреннего диаметра. Величина магнитного поля на оси соленоида в его центре должна быть не менее 0,1 Тл при токе в обмотке 50A, величина мощности, выделяемой в соленоиде при токе 50A, - не более 1кВ. Эти требования составлены на основе того, что будут намагничиваться кольца из ВТСП, диаметр которых не превышает 50 мм, а плотность сверхпроводящего тока в них не должна превышать 108 А/м2. Питание соленоида осуществляться с помощью источника питания. Источник питания стабилизирован по току и выдает 50А. Для задания тока использовался регулируемый импульсный источник питания «ГОРН-К50/50» мощностью 2,5 кВт, изготовленный фирмой «Лаборатория силовых источников».
Приспособление для намагничивания колец содержит соленоид 25, корпус 26 которого изготовлен из медного листа толщиной 1 мм, подставки 27 из фанеры, и клемм 28 для подсоединения источника питания 29. Обмотка соленоида выполнена медным проводом марки ПЭТВ-2500 диаметром жилы провода 2,5 мм и числом витков в соленоиде - 200. Намотка выполнена в восемь слоев.
Процедура по захвату ВТСП кольцами магнитного потока в данном приспособлении выполняется в следующей последовательности. В отсутствии тока в витках соленоида теплое ВТСП кольцо (миксина 14), погруженное в специальный стакан 30 с теплоизолирующими стенками, стакан размещается внутри соленоида в его центральном горизонтальном сечении. Затем включается источник питания соленоида, и устанавливается заданное значение силы тока, протекающего по виткам соленоида (вплоть до 50А). Затем в стакан с ВТСП кольцом, находящимся внутри соленоида, заливается жидкий азот 31, кольцо охлаждается и захватывает магнитный поток. Для этого процесса требуется, в зависимости от массы кольца, от полминуты до двух минут. По прошествии необходимого времени выполняется постепенное отключение источника питания соленоида, а именно: ток в витках соленоида в течение нескольких десятков секунд доводился до нулевого значения. Кольцо вынимается из стакана и переносится в учебную модель.
Работает учебная модель для демонстрации эффекта левитации следующим образом:
- снимают верхний отсек 2;
- заливают жидкий азот на дно нижнего отсека 1;
- поднимают верхнюю лапку 18;
- на диск 17 нижней лапки 15 устанавливаю намагниченную миксину (намагничивание
проводят в приспособлении);
- опускают верхнюю лапку;
- на диск 16 верхней лапки устанавливают вторую намагниченную миксину (намагничивание
проводят в приспособлении);
- устанавливают на нижний отсек 1 верхний 2 и заливают в него жидкий азот;
- устанавливают в верхний отсек неподвижную намагниченную миксину (намагничивание
проводят в приспособлении);
- включают питание светодиодов;
- манипулируя подъемниками, выводят миксины в равновесное положение.
Устройство подъемников позволяет быстро поднимать миксины в нужное положение, просто перемещая винты 10 вверх, или точно подгонять положение миксин, поворачивая винты 10. Разработанное устройство полностью соответствует всем требованиям, что убедительно подтверждается его эксплуатацией при проведении экспериментов.
1. Лабораторное устройство левитирующего квадруполя, используемое в качестве учебного пособия, содержащее корпус, подъемный механизм для размещения на расстоянии друг от друга по вертикали двух кольцевой формы миксин из сверхпроводящего материала, миксину, предназначенную при пропуске через нее тока для образования магнитного потока, проходящего через сечения указанных миксин, и приспособление для возбуждения тока в миксинах, отличающееся тем, что подлежащий заполнению жидким азотом корпус выполнен из нижнего отсека в виде ограниченного боковыми стенками плоского основания с закрепленным по центру основания вертикально ориентированным стержнем из немагнитного материала с метрической шкалой вдоль его длины, нижний отсек закрыт верхним отсеком в виде выполненного из немагнитного листового материала и подлежащего заполнению жидким азотом лотка с боковыми стенками, в центре дна которого закреплена трубка из немагнитного материала, полость которой используется для ввода в нее указанного стержня при опускании верхнего отсека в полость нижнего отсека и центровки неподвижной миксины из сверхпроводящего материала, размещаемой в полости верхнего отсека, на плоском основании нижнего отсека установлены подставки из немагнитного материала для размещения на них неподвижной миксины из сверхпроводящего материала, на боковой стенке нижнего отсека выполнено смотровое окно, закрытое пластиной из транспарантного материала, подъемный механизм для размещения на расстоянии друг от друга по вертикали двух кольцевой формы миксин выполнен в виде двух расположенных на противоположных боковых стенках нижнего отсека подъемных устройств, каждое из которых включает в себя закрепленный на внешней стороне боковой стенки от осевого перемещения винт из немагнитного материала, на котором с возможностью перемещения вдоль оси этого винта размещен ползунок из немагнитного материала, к которому прикреплена лапка из немагнитного материала с опущенным в полость нижнего отсека диском из немагнитного материала для размещения на нем миксины, при этом диск из немагнитного материала одного подъемного устройства расположен под таким же диском другого подъемного устройства, в котором лапка выполнена с шарниром для подъема прикрепленного к ней диска в сторону при укладке миксины на ниже располагаемый диск, при этом в качестве немагнитного материала использован материал, устойчивый к воздействию жидкого азота.
2. Лабораторное устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус выполнен деревянным или из фанеры.
3. Лабораторное устройство по п.1, отличающееся тем, что длина стержня превышает высоту нижнего отсека.
4. Лабораторное устройство по п.1, отличающееся тем, что внутри нижнего отсека закреплен по крайней мере один светодиод, контакты которого выведены через боковую стенку наружу.
5. Лабораторное устройство по п.1, отличающееся тем, что для предотвращения ожогов на концах винтов установлены наконечники из пластика.
6. Лабораторное устройство по п.1, отличающееся тем, что стержень, трубка, лапки и диски выполнены из меди, а винты и ползунки выполнены из латуни.
7. Приспособление для возбуждения тока в миксинах, представляющее собой устройство охлаждения миксин для перевода последних в сверхпроводящее состояние и захвата магнитного потока, выполненное в виде установленного на подставке соленоида, размещенного в корпусе и подключенного к регулируемому источнику питания, и стакана с теплоизолирующими стенками, в который помещается миксина, заливаемая жидким азотом, и который предназначен для установки внутри соленоида.
