СП магниты

СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ МАГНИТЫ В ФИЗИКЕ

Физические профессии сверхпроводящих магнитов весьма разнообразны. Магнитные поля применяются практически во всех областях физики. С их помощью физики изучают свойства вещества и испытывают новые материа­лы, сортируют изотопы атомов и определяют их основные характеристики, фокусируют пучки заряженных частиц и удерживают внутри ускорителя сотни миллиардов ядерных снарядов, скорость которых достигает скорости света.

Использование магнитных систем для исследований в физике высоких энергий — одно из важнейших и интересных направлений в современной прикладной сверхпроводимости. Это магнитные системы ускорителей, каналов транспортировки и сепарации пучков, разнообразные детектирующие системы.

Современные ускорители, сооб­щающие частицам наиболее высокие энергии (десятки, сотни гигаэлектрон-вольт), имеют вид больших колец. Их так и называют — коль­цевые ускорители. Магнитная система таких ускорителей обычно состоит из нескольких отдельных секторных магнитов, составляющих в плане кольцо. Между «челюстями» маг­нита тянется вакуумная камера (рис. 6.2.1). Частицы, которые должны ускоряться такими машинами, иони­зируются и ускоряются до энергий в десятки тысяч электрон-вольт. Затем они инжектируются в коль­цевую камеру и вращаются внутри ее, приобретая после каждого обо­рота дополнительную энергию.

Рис. 6.2.1.

Современные кольцевые уско­рители — необычайно сложные и дорогостоящие технические сооружения. Так, крупнейший в нашей стране протонный ускоритель в г. Серпухове имеет диаметр кольца около 0,5 км, а длина его составляет 1,5 км. Протоны, мчащиеся в его кольцевой камере, заключенной в броню из 120 массивных магнитных блоков массой около

20 000 т, набирают 76 ГэВ энергии. Еще внушительнее размеры ускорителя в Батавии (США). Гигантское сооружение, сообщающее протонам энергию около 500 ГэВ, имеет диаметр кольца 2 км. Его постройка обошлась государству в 250 млн. долларов, причем расходы на магнитную систему соста­вили добрую половину стоимости всего ускорителя.

Проектируются новые сверхмощные установки на энергии частиц до нескольких триллионов электрон-вольт. Сверхпроводящие магниты разрешили бы сразу множество проблем. Замена обычных магнитов компактными — сверхпроводящими магнитами, почти не потребляющими мощности,— это возможность сильного увеличения магнитного поля, а стало быть, и уменьшения размеров ускорителя.

Мы знаем, что магнитное поле действует на заряженные частицы силой Лоренца. Она направлена перпендикулярно скорости частицы и искривляет ее траекторию. Чем больше индукция магнитного поля, тем меньше радиус окружности, по которой движется частица в магнитном поле. Если удастся достичь магнитного поля индукцией, скажем, 10 Тл, то размеры ускорителя уменьшатся почти в 5 раз. И наоборот, при том же радиусе ускорителя увеличение индукции магнитного поля до 10 Тл позволит примерно во столько же раз увеличить энергию ускоряемых частиц. Значительно сокращаются и расходы на постройку магнитной системы ускорителя. Поэтому уже се­годня большие кольцевые ускорители проектируются с таким расчетом, чтобы при необходимости можно было обычные магниты заменить сверх­проводящими. В качестве примера можно привести установку «Гиперон-1», предназначенную для исследования частиц с малым временем жизни. В ра­бочей области сверхмагнита диаметром 1 м индукция магнитного поля достигает 5 Тл. Обмотка магнита массой 8 т изготовлена из сплава ниобий — титан; его криогенная установка потребляет лишь сотую часть энергии, которую расходовал бы аналогичный магнит в обычном исполнении.

Сильные магнитные поля, создаваемые сверхмагнитами, нужны и для управления пучками частиц на выходе из ускорителя. Выведенные частицы нужно «проводить» к тому месту, где они ударяются о поставленную на их пути мишень. Сталкиваясь с ядрами атомов мишени, высокоэнергичные «атомные снаряды» порождают ливни осколков (вторичные частицы), при­роду которых надо расшифровать, определить их электрический заряд и импульс. Эти операции производятся в детекторе с помощью магнитного поля, а поскольку частицы чрезвычайно энергичны, то для управления их движением нужны сильные магнитные поля. И здесь сверхпроводящие маг­ниты оказались очень удобными.

Первые сверхпроводящие соленоиды как раз и использовались для камер,где искривляемыемагнитнымиполями траектории пролетающих час<![if !vml]><![endif]>тиц определялись пузырьками вскипающей жидкости. По кривизне траекторий (их называют треками) можно определить как знак заряда частицы, так и ее импульс.

Сверхпроводящие камеры уже эксплуатируются. Так, в жидководородной пузырьковой камере Европейского центра ядерных исследований в Же­неве используется сверхпроводящая магнитная система. Она состоит из двух соленоидов, каждый из которых набран из 20 плоских секций — бли­нов, а каждый блин имеет внутренний диаметр 4,7 м, длину 1,5 м и рас­полагается на расстоянии 1 м от соседнего блина. Соленоиды питаются током силой 5,7 кА, при этом магнитное поле в зазоре имеет индукцию 3,5 Тл. Дру­гой сверхпроводящий магнит диаметром 3,7 м и длиной 2,5 м, установленный на пузырьковой камере Арагонской национальной лаборатории, создает магнитное поле индукцией до 2 Тл.

Применение сверхпроводников обычно оправдано лишь для создания очень сильных магнитных полей. Но иногда приходится строить и относи­тельно небольшие магниты, особенно когда нужны поля изощренной формы, поля достаточной силы в объеме со сложной геометрией, поля, нарастаю­щие или спадающие во времени с заранее оговоренными скоростями,— разнообразен спектр возможностей, предоставляемых сверхмагнитами.

Особо следует сказать о применении сверхпроводящих магнитов в при­борах, использующих явление ядерного магнитного резонанса, сокращенно ЯМР. С их помощью можно, например, определить структуру вещества.

Известно, что частицы, входящие в состав атомных ядер,— протоны, нейтроны — обладают хотя и незначительными, но весьма определенными магнитными моментами. Ядра атомов подобны ма­леньким магнитикам. В обычных условиях ядерный магнетизм вследствие малости магнитных моментов ядер наблюдать очень трудно. Тем не менее существуют так называемые резонансные методы, которые позволяют не только наблюдать явления, связанные с ядерным магнетизмом, но и воору­жать современные физические, химические, биологические лаборатории мощ­ными средствами исследования вещества. С помощью сильных магнитных полей удается расшифровать структуру сложных органических молекул. Ведь ориентации ядер почти всех атомов зависит от силы и направления магнитного поля. Если создать еще одно поле, переменное во времени, то ядра атомов при определенной частоте колебаний будут вращаться. Зная частоту колебаний поля и энергию излучаемых квантов, можно опреде­лить структуру атомных групп.

Специфика применения сверхпроводящих магнитов для исследований с помощью ЯМР состоит в том, что необходимо иметь в пространстве чрез­вычайно однородное поле. Техника ЯМР требует индукций магнитного поля от 1 до 10 Тл с высокой однородностью. С помощью обычных магни­тов можно было добиться такой однородности в полях с индукцией 2 Тл, и то только за счет сложных и дорогих источников питания. У сверхпрово­дящих магнитов есть качество, позволяющее получить высокую однород­ность в полях, значительно превышающих индукцию, равную 2 Тл, факти­чески без затрат энергии. Таким качеством является способность сверх­проводящих маг<![if !vml]><![endif]>нитов работать в режиме замороженного поля. Это означает, что в сверхпроводящей цепи существует не меняющийся во времени электри­ческий ток.

Сверхмагниты, создающие в малых объемах сильное и очень однород­ное поле, необходимы и физикам, изучающим твердое тело. Сильное маг­нитное поле резко заворачивает траектории электронов, летящих в толще образца. Измерение частоты колебаний этого движения позволяет опре­делить такие важные характеристические параметры электронной системы, как эффективная масса электронов, длина свободного пробега между двумя соударениями, концентрация частиц.

В относительно слабых полях круговые траектории, которые описывают электроны под действием силы Лоренца, очень велики, и такие исследования можно проводить лишь на очень чистых образцах с большой длиной сво­бодного пробега. В сильных полях, создаваемых сверхмагнитами, радиус круговых орбит уменьшается и появляется возможность исследовать ве­щества с меньшей длиной свободного пробега. Становится также возмож­ным сознательно вводить центры рассеяния электронов и изучать влияние этих центров на электронную систему. В решении этих проблем сверх­проводящие магниты незаменимы и сейчас широко используются в физи­ческих лабораториях. Маленькие сверхсильные соленоиды в комплекте с системой охлаждения стали уже промышленной продукцией, выпуск которой все более расширяется.