МАГНИТНЫЙ НАСОС
В сверхпроводящих магнитах сила тока часто достигает нескольких тысяч ампер. Это колоссальное преимущество сверхпроводников обернулось для инженеров проблемой: ведь эти тысячи ампер нужно получить от генератора, работающего при комнатной температуре, а уж потом по проводам передать в криостат с жидким гелием, где помещается сверхпроводящий магнит. Сечение проводов, по которым передается ток (а они несверхпроводящие), должно по меньшей мере быть раз в 100 больше, чем сечение сверхпроводника. По такому большому сечению тепло из комнаты лавиной устремится в криостат — гелий мгновенно выкипит, а сверхпроводимость исчезнет.
Перед конструкторами встала задача: создать такие устройства, которые генерировали бы большие токи не вне, а внутри криостата. Это удалось сделать, использовав различные особые свойства сверхпроводников, например их диамагнетизм.
Рис. 6.8.1.
На рисунке 6.8.1, а показан принцип действия устройства, позволяющего увеличить плотность магнитного потока путем его сжатия. Магнитное поле создается внутри полого сверхпроводящего цилиндра с двумя отверстиями — большим и маленьким. Если цилиндр поместить во внешнее магнитное поле, то вокруг отверстий наведутся незатухающие токи. Они окружат часть поля, которая проникла в эти отверстия и оказалась сцепленной с цилиндром. Что бы теперь ни делать с магнитным полем, эти замороженные потоки не изменятся, пока цилиндр остается сверхпроводящим. Следовательно, если удастся вытеснить магнитный поток из большого отверстия и перевести его в малое, то мы получим возможность усилить поле настолько, насколько уменьшится площадь замороженного потока. Сделать это можно путем введения в большое отверстие сплошного сверхпроводящего стержня. Поскольку сверхпроводник является для силовых линий магнитного поля непреодолимой преградой, то они выталкиваются из большого отверстия в малое, создавая на этом участке более концентрированное поле.
А нельзя ли пойти дальше — сделать процесс сжатия повторяющимся? Идея заключается в следующем: путем многократного сжатия потока в ограниченном объеме (в нашем случае в отверстии цилиндра) создается сильное магнитное поле.
Возможный вариант такого магнитного насоса схематически изображен на рисунке 6.8.1,б. Работает это устройство следующим образом.
Охлаждая цилиндр во внешнем магнитном поле, мы в обоих отверстиях замораживаем магнитное поле с индукцией Во. Затем в малое отверстие вводится сверхпроводящий стержень, сечение которого немного меньше сечения отверстия. При этом магнитный поток вытесняется в кольцевой зазор, и там поле возрастает. Если в этот момент включить нагреватель W2, то часть поверхности отверстий перейдет в нормальное состояние и оба отверстия окажутся соединенными. Магнитный поток как бы прорывается в большое отверстие, и там, выключив нагреватель, его можно заморозить.
Если теперь включить нагреватель W1 и извлечь поршень из малого отверстия, то в нем восстановится первоначальное магнитное поле с индукцией Во.Таким образом, нагревательные обмотки в цилиндре играют роль своего рода переключателя, с помощью которого устанавливается (или уничтожается) связь между отверстиями. Выключим нагреватель W1,и поток опять окажется замороженным в малом объеме. Его можно снова сжать и вытолкнуть в большое отверстие. При многократном сжатии потока, если нагрев стенок чередуется по определенному плану, индукция магнитного поля возрастает до предельных значений. Этим методом удалось получить поля с индукциями более 2 Тл в объеме, равном нескольким кубическим сантиметрам.