Сверхпроводящий провод с низкими энергетическими потерями

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в устройствах, предназначенных для работы при температурах жидкого гелия. Техническим результатом предлагаемой полезной модели является низкие энергетические потери, высокая токонесущая способность, высокое значение параметра «n», высокая стабильность провода. Сверхпроводящий провод включает наружную медную оболочку. Внутри наружной медной оболочки помещены центральный медный сердечник и множество равномерно распределенных по сечению NbTi волокон, каждое из которых заключено в резистивную оболочку из медного сплава. Причем часть из NbTi волокон заменена в определенном порядке на элементы из чистой меди, не соседствующие друг с другом. NbTi волокна в резистивной оболочке расположены в виде кластеров по окружности сечения провода в один или несколько рядов. В кластерах чистая медь присутствует только в виде оболочки кластера. Причем средняя толщина оболочки кластера по отношению к среднему диаметру кластера составляет от 0,01 до 0,12. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в устройствах, предназначенных для работы при температурах жидкого гелия.

Сверхпроводящие провода, используемые в условиях переменных или импульсных полей, как правило, должны обладать уникальным сочетанием высокой критической плотности тока, высокого параметра нарастания «n», высокого отношения остаточных сопротивлений матрицы (более 100) и низких энергетических потерь. Пути обеспечения всех вышеперечисленных требований достаточно известны и требуют для осуществления выполнения ряда определенных условий.

В сверхпроводниках с транспортным током при изменении прикладываемого магнитного поля индуцируются экранирующие токи. В случае многоволоконных композитов применение электропроводящего материала матрицы приводит к магнитной связи отдельных волокон так, что экранирующим токам приходится проходить через матрицу, т.е. при изменении во времени внешнего магнитного поля в композитах индуцируются токи связи между отдельными волокнами.

Появление токов связи или, как их часто называют, кооперативных токов вызывает потери энергии в металлической матрице. Потери от кооперативных токов в проводе пропорциональны квадрату скорости изменения поля (dB/dt)² и величине магнитной постоянной времени , определяющей время затухания экранирующих токов после прекращения изменения внешнего поля. В свою очередь постоянная времени пропорциональна квадрату шага скрутки L² и обратно пропорциональна удельному сопротивлению матрицы .

Физически постоянная времени представляет собой отношение индуктивности замкнутых контуров, образованных сверхпроводящими волокнами, к сопротивлению матрицы и может рассматриваться как сумма вкладов различных зон композита. Наибольший вклад в постоянную времени, а с ней и в потери, проводов с медной матрицей, при объемах центральной зоны от 0 до ~15% вносит оболочка.

Известен сверхпроводящий провод с низкими энергетическими потерями на переменном или импульсном токе, включающий наружную оболочку, внутри которой помещен центральный медный сердечник и множество равномерно распределенных по сечению NbTi волокон, каждое из которых заключено в медную оболочку, причем наружную оболочку выполняют из резистивного сплава [патент US 7718897 B2, кл. H01B 12/08, H01F 6/06, опубликовано 18.05.2010].

Использование оболочки из резистивного сплава позволяет заметно снизить энергетические потери, но при этом при увеличении удельного сопротивления оболочки заметно снижается и стабилизация провода. Кроме этого известно, что для круглых волокон в перпендикулярном поле намагниченность, а с ней и гистерезисные потери, пропорциональны эффективному диаметру волокон d_эф. Обычно для проводов, используемых для работы в переменных или импульсных полях, требования к d_эф не превышают значения в 3,5 мкм (2 Тл, 4,2 К), что с учетом деформационного искажения расчетный диаметр волокна не должен превышать 3 мкм. Такой диаметр волокна при медной матрице вокруг волокна резко ограничивает возможность получения высокой токонесущей способности. Это связано с тем, что межволоконные расстояния в медной матрице ниже 1,0 мкм могут привести к резкому возрастанию гистерезисных потерь вследствие "эффекта близости".

Известен сверхпроводящий провод с низкими энергетическими потерями на переменном или импульсном токе, принятый в качестве прототипа, включающий наружную оболочку, внутри которой помещен центральный медный сердечник и множество равномерно распределенных по сечению NbTi волокон, причем наружная оболочка провода выполнена из чистой меди, а каждое NbTi волокно заключено в резистивную оболочку из медного сплава, при этом часть из NbTi волокон заменена в определенном порядке на отдельные элементы, либо группы элементов из чистой меди, не соседствующие друг с другом [патент EP 2278595 A1, кл. H01L 39/14, H01L 39/2406, опубликовано 26.01.2011].

Провод указанной конструкции отличают высокая токонесущая способность при улучшенной стабилизации и сниженных энергетических потерях. Однако, указанные провода при малом размере волокна и высокой токонесущей способности должны содержать несколько десятков тысяч волокон, что подразумевает двухстадийное производство готового провода, т.е. первая многоволоконная заготовка является полуфабрикатом для сборки второй многоволоконной финальной заготовки. Такая технология подразумевает дополнительную высокотемпературную экструзию, что приводит к отравлению медных элементов внутри волоконной зоны, тем самым снижая внутреннюю стабилизацию. Комбинация медных элементов внутри волоконной зоны затрудняет сборку композитной заготовки и снижает эффективность производства. Кроме этого, стоит отметить, что формирование прутка первой многоволоконной заготовки в шестигранник для сборки второй многоволоконной финальной заготовки приводит к заметным искажениям сверхпроводящих волокон, а с ними и увеличению энергетических потерь.

Задача предлагаемой полезной модели заключается в создании сверхпроводящего провода с высокой токонесущей способностью при минимальных энергетических потерях и высокой стабильности.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели являются низкие энергетические потери, высокая токонесущая способность, высокое значение параметра «n», высокая стабильность провода.

Технический результат достигается тем, что сверхпроводящий провод включает наружную медную оболочку, внутри которой помещены центральный медный сердечник и множество равномерно распределенных по сечению NbTi волокон, каждое из которых заключено в резистивную оболочку из медного сплава, причем часть из NbTi волокон заменена в определенном порядке на элементы из чистой меди, не соседствующие друг с другом, NbTi волокна в резистивной оболочке расположены в виде кластеров по окружности сечения провода в один или несколько рядов, в кластерах чистая медь присутствует только в виде оболочки кластера, причем средняя толщина оболочки кластера по отношению к среднему диаметру кластера составляет от 0,01 до 0,12.

В частном случае резистивная оболочка вокруг NbTi волокна выполнена из CuMn сплава.

В частном случае резистивная оболочка вокруг NbTi волокна выполнена из CuNi сплава.

В частном случае резистивная оболочка вокруг NbTi волокна выполнена комбинированной из CuMn сплава и CuNi сплава.

На фиг. 1 изображен сверхпроводящий провод с низкими энергетическими потерями на переменном или импульсном токе.

На фиг. 2 изображено сечение готового сверхпроводящего провода с низкими энергетическими потерями на импульсном токе.

Сверхпроводящий провод с низкими энергетическими потерями на переменном или импульсном токе содержит наружную медную оболочку 1. Внутри наружной медной оболочки 1 помещены центральный медный сердечник 6 и множество равномерно распределенных по сечению NbTi волокон 4. Каждое NbTi волокно 4 заключено в резистивную оболочку 5 из медного сплава. Резистивная оболочка 5 вокруг NbTi волокна 4 может быть выполнена из CuMn сплава или CuNi сплава, а также может быть выполнена комбинированной из CuMn сплава и CuNi сплава. Причем часть из NbTi волокон 4 заменена в определенном порядке на элементы из чистой меди, не соседствующие друг с другом. NbTi волокна 4 расположены в резистивной оболочке 5 в виде круглых кластеров 3. Кластеры 3 расположены по окружности сечения провода в один или несколько рядов. В кластерах 3 чистая медь присутствует только в виде оболочки 2 кластера 3. Чистая медь в сверхпроводнике также присутствует в сердечнике 6 и середине 7. Причем средняя толщина оболочки 2 кластера 3 по отношению к среднему диаметру кластера 3 составляет от 0,01 до 0,12.

Минимальное значение равное 0,01 в отношении средней толщины оболочки 2 кластера 3 к среднему диаметру кластера 3 в обычной практике производства сверхпроводящих проводов определяет минимальное межкластерное расстояние, сравнимое с длиной свободного пробега электрона в меди, меньше которого возникает размерный эффект, приводящий к относительному приросту электросопротивления межкластерной меди и соответствующему уменьшению относительного остаточного электросопротивления R_273K/R_10K провода. Максимальное значение равное 0,12 в отношении средней толщины оболочки 2 кластера 3 к среднему диаметру кластера 3 в обычной практике производства сверхпроводящих проводов предопределяет область равномерной деформации композита.

Представленный сверхпроводящий провод позволяет иметь низкие энергетические потери за счет малого диаметра волокна и резистивной оболочки, расположенной вокруг него, высокую токонесущую способность за счет увеличения объемной доли сверхпроводящих волокон при минимизации межволоконного расстояния, высокого значения параметра «n» благодаря снижению искажения волокон за счет использования круглых кластеров, высокую стабильность провода за счет использования чистой меди на оболочке, в середине и центре провода, а также наличию меди вокруг каждого кластера, способствующей дополнительному отводу тепла. Доля меди вокруг каждого кластера определяется в каждом конкретном случае требованиями к стабилизации провода и требованиями к объемной доле сверхпроводящего сплава.

Пример конкретного выполнения (фиг. 2).

Проводник диаметром 0,8 мм сформирован из 17 кластеров при двурядном расположении. Каждый кластер содержит 1735 волокон, каждое из которых имеет оболочку из сплава CuO, 5 вес.% Mn. Межволоконное расстояние составляет 0,325 мкм и предотвращает спаривание волокон. Наличие медной наружной оболочки и медной центральной части при увеличенной доле меди в середине провода способствуют повышенному отводу тепла и улучшению стабилизации провода. Межкластерное расстояние, занимаемое чистой медью, составляет 8,25 мкм. Конструкция ниобий-титанового 29495 волоконного провода с отношением медь/не медь 1,53-1,63 при шаге скрутки 6-7 мм и разработанные режимы изготовления обеспечивают токонесущую способность в поле с индукцией 5 Тл на уровне 488÷506 А, что соответствует для индукции 2 Тл значениям 936÷971 А. Гистерезисные потери весьма низки, как для индукции ±1,5 Тл, так и для индукции ±3,0 Тл и составляют соответственно 22÷23 и 32÷35 мДж/см³. Уровень относительного остаточного сопротивления высокий и составляет 125÷158.

Таким образом, видно, что при использовании предложенного сверхпроводящего провода снижаются энергетические потери при высокой токонесущей способности провода и улучшенной стабильности.

1. Сверхпроводящий провод, включающий наружную медную оболочку, внутри которой помещены центральный медный сердечник и множество равномерно распределенных по сечению NbTi волокон, каждое из которых заключено в резистивную оболочку из медного сплава, причем часть из NbTi волокон заменена в определенном порядке на элементы из чистой меди, не соседствующие друг с другом, отличающийся тем, что NbTi волокна в резистивной оболочке расположены в виде кластеров по окружности сечения провода в один или несколько рядов, в кластерах чистая медь присутствует только в виде оболочки кластера, причем средняя толщина оболочки кластера по отношению к среднему диаметру кластера составляет от 0,01 до 0,12.

2. Сверхпроводящий провод по п. 1, отличающийся тем, что резистивная оболочка вокруг NbTi волокна выполнена из CuMn сплава.

3. Сверхпроводящий провод по п. 1, отличающийся тем, что резистивная оболочка вокруг NbTi волокна выполнена из CuNi сплава.

4. Сверхпроводящий провод по п. 1, отличающийся тем, что резистивная оболочка вокруг NbTi волокна выполнена комбинированной из CuMn сплава и CuNi сплава.

РИСУНКИ