Одно из удивительных физических явлений — сверхпроводимость — было открыто в 1911 г. голландским физиком Камерлинг-Оннесом при исследовании температурной зависимости электросопротивления ртути. Он обнаружил, что при температуре около 4°К (—269°С) ртуть скачком теряет электросопротивление. Свойство вещества ниже некоторой, так называемой, критической температуры Тв проводить ток без сопротивления получило название сверхпроводимости. Дальнейшие исследования показали, что при низкой температуре в сверхпроводящее состояние переходят некоторые металлы, сплавы и соединения и что сверхпроводящее состояние может быть разрушено, если индукция внешнего магнитного поля и ток, протекающий по сверхпроводнику, будут превышать критические значения Вк и Iк. В интервале температур от 0 до Тк с ростом температуры происходит уменьшение значений Вк и Iк, а при Т =Тк они равны нулю.
Сверхпроводники подразделяются на два класса.
В сверхпроводниках первого рода магнитное поле вплоть до Вк не проникает в сверхпроводник (идеальный диамагнетизм). Их критические температуры не превышают 10°К, критические магнитные поля 0,2 тл и критические токи малы.
В сверхпроводниках второго рода, к которым, как правило, относятся сплавы и соединения, критические параметры более высокие. Магнитное поле в них при индукции больше Вк1 до Вк2 частично проникает в сверхпроводник в виде нитей магнитного потока — флюксоидов (смешанное состояние), но сверхпроводимость сохраняется. Если через сверхпроводник в смешанном состоянии пропустить электрический ток, то нити магнитного потока начнут двигаться под влиянием взаимодействия между транспортным током и магнитным полем нити. Движение нитей потока связано с выделением тепла в сверхпроводнике, поэтому идеальные сверхпроводники второго рода не могут пропускать большие токи.
В течение почти полувека исследования сверхпроводимости были уделом небольшого круга специализированных лабораторий, а на практическое использование этого явления в технике покушались лишь писатели-фантасты.
Положение радикально изменилось в конце 50-х — начале 60-х годов, когда были созданы микроскопическая теория сверхпроводимости, позволившая понять природу этого явления, и теория сверхпроводников второго рода, а также были сделаны два новых открытия в сверхпроводимости. Были открыты так называемые жесткие сверхпроводники второго рода, способные проводить токи с плотностями в сотни тысяч ампер на квадратный сантиметр в полях с индукцией 10 тл и более. В этих сверхпроводниках нити магнитного потока закрепляются на дефектах структуры (границах зерен, выделениях второй фазы, скоплениях дислокаций), и поэтому даже при очень сильных токах флюксоиды остаются неподвижными и сверхпроводимость сохраняется. Второе открытие — обнаружение предсказанного Джозефсоном эффекта проявления фазовой когерентности сверхпроводящих элементов в слабосвязанных сверхпроводниках. За этим последовало развитие исследований по сверхпроводникам со слабой связью и квантовой интерференции в сверхпроводниках. Начался период бурного развития работ по теоретическому и экспериментальному исследованию и практическому использованию сверхпроводимости.
Советские физики внесли выдающийся вклад в исследования сверхпроводимости и особенно сверхпроводников второго рода. Достаточно напомнить исследования сверхпроводников второго рода Л. В. Шубниковым, так называемую теорию ГЛАГ — теорию В. Л. Гинзбурга, Л. Д. Ландау, А. А. Абрикосова, Л. П. Горькова и другие замечательные работы.
Физические предпосылки технического использования сверхпроводимости вытекают из уникальных свойств сверхпроводников:
остроты и высокой скорости перехода из нормального состояния в сверхпроводящее и наоборот при малых изменениях температуры или индукции магнитного поля вблизи их критических значений. На этой основе создаются высокочувствительные приемники излучения, быстродействующие переключатели и т. п.;
идеального диамагнетизма сверхпроводников — выталкивания ими магнитного поля. На этой основе создаются подвесы без трения, устройства так называемого магнитного вакуума и т. п.;
квантовой интерференции в слабосвязанных сверхпроводниках, используемой в детекторах сверхчувствительных приборов и эталонах некоторых физических констант;
способности жестких сверхпроводников второго рода проводить без сопротивления очень большие постоянные токи в сильных магнитных полях.
Огромны перспективы практического использования сверхпроводимости в энергетике, электротехнике, приборостроении, связи, навигации и др. Рассмотрим те из них, которые связаны с созданием и использованием сверхпроводящих материалов и разработками на их основе крупных сверхпроводящих магнитных систем — с областью практического использования сверхпроводимости, представляющей наибольший интерес для атомной науки и техники.
В Советском Союзе, как и в ряде развитых зарубежных стран, пионерами практического использования сверхпроводимости выступили организации, занимающиеся исследованиями в области физики высоких энергий и физики плазмы, ядерной физики и физики твердого тела, т. е. связанные с атомной наукой и техникой. Естественно, что именно в этих организациях настоятельно ощущалась потребность в использовании сверхпроводимости для наиболее экономичной генерации магнитных и электрических полей высокой напряженности и в больших объемах для ускорения заряженных частиц, удержания горячей плазмы и т. п. Дело в том, что уже после первых же шагов по пути практического использования сверхпроводимости стало ясно, что, например, стоимость сооружения крупной сверхпроводящей магнитной системы (СМС) с магнитной индукцией в несколько тесла будет равна или меньше стоимости обычной водоохлаждаемой системы с медной обмоткой. В то же время суммарные эксплуатационные расходы при работе СМС, связанные с затратами электроэнергии на питание сверхпроводящей обмотки и на производство жидкого гелия для ее охлаждения, в сотни раз меньше, чем в водоохлаждаемых системах. Для обеспечения работы СМС большой пузырьковой камеры требуется 100—150 квт, а для питания водоохлаждаемого магнита такой камеры потребовалось бы 50 000—60 000 квт. Следует напомнить, что расходы на электроэнергию крупного современного ускорительного центра составляют несколько миллионов рублей в год. Если же рассматривать вопрос о сооружении ускорителей следующего поколения на энергии ускоренных частиц (2-3)-1012 эв, то только при использовании сверхпроводимости можно надеяться, что затраты на сооружение такого ускорителя и его эксплуатацию останутся на уровне, который будет приемлем для наиболее развитых стран или групп стран. И это только одна из иллюстраций настоятельной необходимости практического использования сверхпроводимости в атомной технике!
Очевидно, что для создания надежных СМС различного назначения необходимо располагать определенным набором технических сверхпроводящих материалов, опытом проектирования, изготовления и эксплуатации СМС и криогенными устройствами, устойчиво обеспечивающими температурный уровень работы СМС (как правило, 4,2°К. Именно на этих направлениях работ по прикладной сверхпроводимости были сосредоточены усилия ряда исследовательских групп институтов Государственного комитета по использованию атомной энергии СССР, Академии наук СССР и других организаций, и результаты этих работ явились основой создания в стране промышленного производства технических сверхпроводящих материалов разнообразного назначения, успешного создания и эксплуатации СМС устройств атомной техники и разработок проектов и создания моделей для начинавшегося полномасштабного промышленного использования сверхпроводимости.
СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
К настоящему времени получено более 1000 сверхпроводящих сплавов и соединений, и число их продолжает непрерывно расти. Во многих лабораториях мира ведутся активные поиски сверхпроводников со все более высокими критическими параметрами и в первую очередь с более высокой критической температурой. Большой вклад в эту работу внесли многие академические и отраслевые институты и прежде всего Институт физических проблем (ИФП), Институт металлургии им. А. А. Байкова и др. Рекордсменом по Тк среди сверхпроводников является интерметаллическое соединение Nb3Ge с температурой начала перехода в сверхпроводящее состояние 23,2°К. Это уже выше температуры кипения жидкого водорода при нормальном давлении (20,4°К).
Однако из всего многообразия известных сверхпроводников интерес для технического освоения представляет небольшое число деформируемых сплавов и интерметаллических соединений (табл. 6. 1).
Во всех крупных СМС, изготовленных в последние годы в мире, использованы сверхпроводящие материалы на основе сплава Nb-—ІІ (табл. 6.2). Несмотря на свои относительно невысокие критические параметры, он занял лидирующее место среди технических сверхпроводящих материалов главным образом из-за своей технологичности как в производстве, так и в намотке. Используя материалы на основе Nb—Ті, можно изготавливать надежно работающие при температуре жидкого гелия СМС практически сколь угодно больших размеров и получать в них поля с индукцией в несколько тесла.
Таблица 6.1
Критические характеристики практически важных сверхпроводников
Но путь к такому результату оказался сложным и поучительным. Вскоре после того, как в начале 60-х годов были открыты жесткие сверхпроводники второго рода, начался период их активного использования для создания соленоидов, однако реализовать высокую плотность тока, присущую этим материалам в коротких образцах, в обмотке соленоида на первых порах оказалось невозможным. Соленоиды переходили в нормальное (несверхпроводящее) состояние при плотности тока, на порядок меньшей, чем в коротких образцах. Это соответствовало току 15—20 а при стандартном диаметре провода 0,25 мм. Так физики встретились с эффектом деградации токонесущей способности сверхпроводников или, как его драматически именовали, с «20-амперной катастрофой». Драматизм ситуации усугублялся тем, что после перехода в нормальное состояние соленоид, как правило, погибал — в нем выгорала часть обмотки из-за электрического пробоя и выделения на перешедших в нормальное состояние витках энергии, запасенной в магнитном поле соленоида. Встала задача стабилизации тока в обмотке сверхпроводящего соленоида. В результате исследований было показано, что основной причиной эффекта деградации является скачкообразное изменение магнитного потока. Когда при возрастании тока и поля в соленоиде электромагнитная сила взаимодействия флюксоида с током становится больше силы, удерживающей флюксоид в закрепленном на дефекте состоянии, возникает срыв флюксоида. Он сопровождается разогревом участка сверхпроводника, соответствующим понижением критических значений напряженности и силы тока и, следовательно, лавинообразным срывом флюксоида — скачком потока. Если температура поднимается выше критической, возникает зародыш нормальной фазы, который, в зависимости от его размера и условий теплоотдачи, может привести к переходу всего соленоида в нормальное состояние.
Таблица 6.2. Характеристики технических сверхпроводящих материалов на основе Nb—Ті
Очевидно, что для стабилизации сверхпроводящего состояния соленоида необходимо либо не допустить появления таких скачков потока, которые приводят к возникновению нормальной фазы, либо создать условия, чтобы нормальная фаза не распространялась по токонесущему элементу и не переводила весь соленоид в резистивное состояние. В первом случае говорят о «внутреннем» способе стабилизации, во втором — о «стационарной» стабилизации соленоида.
Внутренне стабилизированные сверхпроводящие обмоточные материалы состоят из тонких жил сверхпроводника в матрице нормального металла с высокой электро- и теплопроводностью (медь, алюминий). Для подавления скачков потока при проникновении растущего магнитного поля диаметр жил сверхпроводника не должен превышать нескольких десятков микрон, поэтому проводник скручивают вдоль продольной оси. Последнее делается для уменьшения токов, наводящихся в сверхпроводящих жилах внешними полями и замыкающихся через металл матрицы. Сравнительно небольшие магнитные системы с запасенной в поле энергией, не превышающей нескольких сот килоджоулей, изготавливают из такого материала. Обычно сверхпроводник занимает 30—50% сечения провода.
При создании крупных систем с энергией в десятки и сотни мегаджоулей используют сверхпроводящие материалы со стационарной стабилизацией. В этом случае сверхпроводник занимает 5—15% сечения токонесущего элемента (шины, провода) и в обмотке предусматривают каналы, обеспечивающие надежное охлаждение витков жидким гелием. Возникший в результате какого-либо возмущения участок нормальной фазы не распространяется на весь соленоид, а «схлопывается», так как окружающий нормальный металл способствует быстрому охлаждению жилы и отводу тепла в гелий, а также принимает на себя ток, шунтируя нормальный участок сверхпроводящей жилы.
Рис. 6.7. Сечение многожильного сверхпроводящего проводнике
Физические исследования свойств коротких образцов материалов и их поведения в обмотках позволили сформулировать технические требования к конструкции токонесущих элементов для разнообразных СМС. В формировании этих представлений, являющихся в настоящее время общепризнанными, большую роль сыграли работы ИАЭ им. И. В. Курчатова и Всесоюзного научно-исследовательского института неорганических материалов ГКИАЭ СССР, Института высоких температур АН СССР, Всесоюзного научно-исследовательского института кабельной промышленности МЭТП и других организаций. Параллельно проводилась кропотливая работа по созданию прецизионной технологии получения конкретных технических сверхпроводящих материалов на основе Nb—Ті и других сплавов в различных матрицах совместными усилиями организаций ГКИАЭ и Минэлектротехпрома — в варианте промышленной технологии и организациями других ведомств (МЦМ СССР, МЧМ СССР и др.) — в опытном варианте. Технический многожильный сверхпроводник, как правило, является композитной системой, состоящей из разнородных материалов с различными механическими, теплофизическими и электрическими свойствами, содержит от десятков до тысяч скрученных сверхпроводящих нитей с диаметром до нескольких микрон и толщиной прослоек нормального металла между нитями около микрона. При этом он должен обладать высокими и стабильными критическими параметрами, однородностью свойств, точностью геометрических размеров и т. п., поэтому становится очевидной сложность технологии получения таких изделий. На рис. 6.7. приведена фотография сечения одного из таких сверхпроводящих проводников. Несмотря на отмеченные трудности, в настоящее время найдены удачные технологические решения и налажен промышленный выпуск стандартизованных многожильных сверхпроводящих материалов. По своим характеристикам они не уступают аналогичным зарубежным образцам. Особое место среди них занимают материалы, необходимые для создания СМС с переменным магнитным полем, например магнитов синхротронов. Диаметр сверхпроводящих жил в этих материалах не должен превышать 10 мкм, стабилизирующая матрица должна быть двухкомпонентной — медь с перегородками из плохопроводящего металла для минимизации потерь на вихревые токи. Такие материалы также освоены отечественной промышленностью.
Заманчивые возможности открываются для создания СМС из материалов на основе интерметаллических соединений. Наиболее очевидная из них — расширение диапазона рабочих полей СМС. В первую очередь это относится к СМС лабораторного масштаба, в которых предельная индукция поля определяется критическим полем сверхпроводника. В крупных СМС индукция предельного поля при разумной плотности тока определяется уже механическими напряжениями материала и, следовательно, принимаемыми конструктивными решениями по его разгрузке. Более общей и во многих случаях более важной при использовании интерметаллических сверхпроводников является возможность повышения рабочей температуры и температурного запаса для СМС (разности между Тк материала при рабочих токе и поле и температурой хладагента). Поскольку при низких температурах внутренняя энергия материалов резко возрастает с повышением температуры, СМС из интерметаллических сверхпроводников должны быть на один-два порядка более устойчивыми к различного рода возмущениям. Надежность СМС, особенно крупных, становится одним из решающих факторов их широкого промышленного применения.
Рис. 6.8. Сечение многожильного интерметаллического сверхпроводящего проводника
Преимущества сверхпроводящих материалов на основе интерметаллидов прекрасно понимали и физики, и технологи с самого начала работ по прикладной сверхпроводимости. Однако их широкое использование сдерживается чрезвычайной хрупкостью интерметаллидов, создающей большие трудности при получении из них изделий необходимых форм и размеров и высокой чувствительности их критических параметров к точности регулирования технологического процесса.
В настоящее время относительно широко используются сверхпроводящие материалы на основе интерметаллических соединений Nb3Sn и V3Ga в виде лент. Эти материалы пригодны для создания СМС малых размеров, преимущественно лабораторных с индукцией 15—17 тп. Ленточные материалы, как правило, производятся либо по диффузионной технологии, либо с использованием газотранспортных реакций. Маломасштабное производство этих материалов осуществляется Гиредметом МЦМ СССР и другими организациями. Промышленность выпускает ленточный материал на основе Nb3Sn. Его отличают высокая стабильность свойств и хорошая токонесущая способность — в поле 10 тл материал имеет критический ток более 70 а на 1 мм ширины ленты. По-видимому, материалы на основе интерметаллидов с более высокими критическими параметрами (Nb3Ge и др.) будут осваиваться как технические в виде ленточных материалов. В настоящее время они производятся лишь в лабораторных масштабах.
Таблица 6.3
Характеристики многожильных сверхпроводящих изделий на основе интерметаллических соединений
Очевидные преимущества многожильных материалов стимулировали интенсивное развитие работ по получению многожильных сверхпроводников на основе интерметаллических соединений. В СССР и за рубежом были разработаны методы изготовления многожильных интерметаллических сверхпроводников, в основу которых положено совместное деформирование сплавов Сu—Sn и Сu—Ga с ниобием и ванадием соответственно, приводящее к образованию многожильного композита, состоящего из тонких (1—5 мкм) жил ниобия или ванадия в оловянистой или галлиевой бронзе (рис. 6.8). При последующей термообработке самого материала или материала в изделии в результате твердофазной диффузии в материале образуются токонесущие нити интерметаллического соединения в обедненной бронзовой матрице. Стабилизацию материала металлом с высокой проводимостью осуществляют либо нанесением его электролитическим методом после термообработки, либо их совместно обрабатывают, но тогда этот металл, во избежание его отравления, отделяют диффузионным барьером от бронзы. Промышленность успешно освоила эту сложную технологию производства многожильных интерметаллических сверхпроводников и приступила к выпуску опытных партий материалов (табл. 6.3). Испытанные в СМС, они оправдали возлагавшиеся на них надежды.
Рис. 6.9.
Универсальный испытательный стенд для измерения характеристик сверхпроводников
До сих пор рассматривались материалы, хотя это специально не оговаривалось, предназначенные для СМС с традиционным способом охлаждения обмотки—материалы для погруженных систем. Среди специалистов все большее распространение получает точка зрения, что СМС с принудительной циркуляцией гелия должны обладать многими преимуществами по сравнению с традиционными системами (возможность лучшей организации теплоотдачи, более высокая электрическая и механическая прочность, упрощение конструкции криостата и уменьшение количества гелия, требующегося для охлаждения и заполнения системы). Но создание СМС с принудительным циркуляционным охлаждением требует разработки конструкции, технологии изготовления и организации промышленного производства сверхпроводящих токонесущих элементов с каналами для прокачки гелия. Усилиями ИАЭ им. И. В. Курчатова, ВНИИНМ и промышленности вопросы создания токонесущих элементов для циркуляционных СМС были решены в относительно короткие сроки, и благодаря использованию достаточно гибкой электролитической технологии налажен выпуск технических материалов на различные рабочие токи.
СМС ДЛЯ ФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Естественно, что первой областью широкого практического использования сверхпроводимости оказались собственно области физических исследований — физика твердого тела, физика ядра и др. Исследования взаимодействия излучения с веществом, помещенным в магнитное поле (нейтронная и мёссбауэровская спектроскопия), исследования по поляризации ядер, по созданию мишеней для поляризации пучков частиц, исследования свойств магнитных, полупроводниковых и сверхпроводящих материалов — вот далеко не полный перечень работ, требующих создания магнитных систем с высокой напряженностью поля. Осуществление таких систем из обычных материалов приводит к громоздким установкам, потребляющим большую мощность. Для простого лабораторного соленоида с отверстием 4—5 см и индукцией 9—10 тл необходим в нормальном исполнении источник питания мощностью около 2 Мвт. В то же время такой соленоид из сверхпроводящих материалов вместе с криостатом представляет собой компактную установку, практически не потребляющую энергии. И поэтому, если в лаборатории есть жидкий гелий, безусловно, предпочтение исследователи отдают сверхпроводящему магниту.
Разработку и даже малосерийное изготовление таких лабораторных магнитов осуществляли ИАЭ им. И. В. Курчатова ГКИАЭ СССР, ХФТИ АН УССР, ВНИИЭМ МЭТП, Гиредмет МЦМ СССР и другие институты. В качестве иллюстрации рассмотрим сверхпроводящую установку УИС-1 (универсальный испытательный соленоид, рис. 6.9), разработанную в ИАЭ им. И. В. Курчатова и широко используемую во многих исследовательских организациях страны и в ряде организаций за рубежом. В СМС этой установки удается реализовать предельную индукцию магнитного поля 9,3— 9,5 тл, которая достижима для материалов на основе Nb—Ті при температуре жидкого гелия. Размеры соленоида: диаметр отверстия 40 мм, наружный диаметр соленоида 160 мм и длина 200 мм. Как правило, используется набор многожильных проводов с диаметром от 0,85 мм в наружной секции до 1,2 мм во внутренней, так что вся система является оптимизированной и секции запитываются последовательно одним током. Соленоид может работать в режиме замороженного тока с сильноточным сверхпроводящим ключом и со съемными токовводами. Он монтируется в специальном криостате с объемом жидкости 20 л и с малой скоростью испарения. Установка допускает недельный цикл работы с полем практически без подливки гелия. Она имеет несколько модификаций: для оптических исследований, для исследований рассеяния нейтронов, изучения эффекта Мёссбауэра и др.
Рис. 6.10.
Экспериментальная комбинированная магнитная система KC-250
Первые СМС уже побывали в космосе. Созданный ФИ АН СССР спектрометр космического излучения со сверхпроводящим магнитом на основе ниобий-титановых материалов использовался в экспериментах на спутниках. В соленоидах на основе Nb—Ті сверхпроводящих материалов можно получать в малых отверстиях и при более низкой температуре (откачка гелия) значения индукции, превышающие 10 тл. Такие работы проводились в ХФТИ АН УССР.
Достижение в лабораторных соленоидах индукции более 10 тл при температуре жидкого гелия связано с использованием сверхпроводящих материалов на основе интерметаллических соединений, чаще всего на основе Nb3Sn. При этом либо вся СМС наматывается из интерметаллического материала, либо создается комбинированный соленоид, в котором наружная секция изготавливается из материала на основе Nb—Ті, а внутренняя — из материала на основе Nb3Sn. Такой комбинированный соленоид со вставкой из ленточного Nb3Sn был создан в ХФТИ АН УССР. В ИАЭ им. И. В. Курчатова для универсального испытательного соленоида разработана специальная вставка из многожильного Nb3Sn, включаемая последовательно с основной обмоткой из Nb — Ті и позволяющая получить в отверстии 10 мм поле 13 тл.
Современные сверхпроводящие материалы еще не позволяют на практике получать магнитные поля с индукцией более 17—18 тл. В то же время в целом ряде физических исследований необходимы значительно большие стационарные поля. В этом случае также чрезвычайно плодотворной оказывается идея комбинирования, но уже комбинирования сверхпроводящих и резистивных обмоток. На рис. 6.10 показан комбинированный соленоид КС-250, генерирующий рекордное в мире стационарное магнитное поле индукцией 25 тл. Он разработан ИАЭ им. И. В. Курчатова совместно с НИИЭФА им. Д. В. Ефремова. Установлены такие соленоиды в ИАЭ им. И. В Курчатова и I ФИ АН СССР. Наружная секция соленоида намотана полностью стабилизированным сверхпроводящим материалом на основе Nb—Ті и создает при токе 1 ка в отверстии 400 мм поле 7 тл. Внутри этой секции расположена резистивная двухсекционная спиральная катушка (чистая медь и хромистая бронза) с отверстием 30 мм. При токе резистивной части 26 ка и потребляемой мощности 5,5 Мвт в центральном отверстии системы генерируется стационарное поле 26 тл. Для получения такой индукции в чисто резистивном варианте соленоида потребовалась бы мощность 30 Мвт. Успешная эксплуатация соленоида КС-250 подтвердила, что комбинированные соленоиды позволяют быстро наращивать индукцию стационарных магнитных полей.
СМС В ФИЗИКЕ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ
Масштабы использования различных электрофизических устройств в любой лаборатории мира, проводящей исследования по физике высоких энергий на мощных современных ускорителях, поражают не только неискушенного человека. Это и собственно электромагнитные системы ускорителей, каналы транспортировки и сепарации пучков, разнообразные детектирующие системы и, конечно, громоздкие и мощные системы питания. Поэтому вполне естественно, что в этих лабораториях потребность в практическом использовании сверхпроводимости ощущалась весьма остро и работы по созданию СМС велись широким фронтом, как правило, с самого начала 60-х годов, и принесли уже ощутимые результаты. Создан ряд установок для исследований по физике высоких энергий с использованием СМС с постоянным полем. Их успешная эксплуатация подтвердила высокую надежность СМС и экономическую целесообразность их применения. Использование СМС в исследованиях по физике высоких энергий —одно из интересных и наиболее разработанных направлений современной прикладной сверхпроводимости. Активно работают в этом направлении НИИЭФА им. Д. В. Ефремова, ИФВЭ и ИТЭФ ГКИАЭ СССР, ХФТИ АН УССР, РТИ АН СССР, ОИЯИ и другие организации. Их усилия направлены главным образом на решение трех основных задач: разработка импульсных сверхпроводящих магнитов для кольцевых ускорителей с жесткой фокусировкой — синхротронов; разработка сверхпроводящих резонансных ускоряющих структур для линейных ускорителей; разработка СМС для транспортировки, сепарации и детектирования пучков.
Условия работы магнитов — диполей и квадруполей в синхротроне существенно отличаются от условий работы магнитов постоянного поля. В синхротроне магнитная система работает в импульсном режиме, и, следовательно, на СМС для синхротрона накладываются дополнительные требования устойчивой работы с переменным током низкой частоты (порядка 0,1 гц) и сведения к минимуму тепловыделения в таком динамическом режиме. При этом требуются высокая точность распределения поля в апертуре магнита при всех значениях переменного поля, надежность технологии изготовления магнитов, обеспечивающая их идентичность, совершенство системы криостатирования обмоток диполей и квадруполей и т. п. Как в нашей стране, так и за рубежом достигнут существенный прогресс в решении многих трудных научно-технических и технологических вопросов создания импульсных СМС. Испытания моделей диполей, проведенные в НИИЭФА им. Д. В. Ефремова ГКИАЭ СССР и РТИ АН СССР, и обширные испытания моделей в зарубежных исследовательских центрах (Национальная лаборатория им. Э. Ферми и Брукхейвенская национальная лаборатория США; ЦЕРН и др.) показали, что существуют пути создания надежно и экономично работающих импульсных СМС. Это позволило выдвинуть ряд проектов синхротронов на энергию 1000—2000 Гэв. В СССР в настоящее время разрабатываются два проекта кольцевых ускорителей по СМС: проект ускорительно-накопительного комплекса в ИФВЭ ГКИАЭ СССР (г. Серпухов) на энергию протонов 2000 Гэв и проект сверхпроводящего ускорителя релятивистских ядер для ОИЯИ—нуклотрон. В частности, для нуклотрона осуществлена интересная разработка электронно-лучевого источника многозарядных ионов — «Крион», использующая СМС со сверхпроводящей перемычкой, работающей в режиме «замороженного тока» — с отключенными в течение месяцев токопроводами.
В ОИЯИ разрабатывается также проект нового ускорителя с использованием сверхпроводимости, основанного на коллективном методе ускорения частиц, — кольцетрона. Успешно прошли испытания секция кольцетрона из сверхпроводящего соленоида с внутренним диаметром 0,6 м и длиной 2,4 м а поле 2 тл, корректирующих модулей из 16 сверхпроводящих катушек с внутренним диаметром 0,17 м и четырех резонаторов цилиндрического типа с напыленным покрытием из Nb—Ті толщиной 10 мкм.
В исследованиях по ядерной физике и физике высоких энергий широкое распространение получили линейные ускорители заряженных частиц — протонов и электронов. Такой ускоритель представляет собой систему связанных электромагнитных резонаторов, в которых возбуждаются высокочастотные электромагнитные колебания, используемые для ускорения частиц. В стенках резонатора текут высокочастотные токи. Потери, связанные с этими токами, обусловливают малую добротность резонатора, изготовленного из обычных металлов, и, как следствие, импульсный режим работы и необходимость больших высокочастотных мощностей. Использование сверхпроводящих резонаторов с предельно высокой добротностью (малыми потерями) радикально изменяет положение. Оказывается возможным создавать линейные ускорители практически непрерывного действия и с более высоким темпом ускорения. По капитальным и эксплуатационным затратам такие ускорители также значительно дешевле обычных.
Работы по сверхпроводящим резонаторам и моделям линейных ускорителей со сверхпроводящей ускоряющей структурой с успехом проводятся в НИИЭФА им. Д. В. Ефремова ГКИАЭ СССР, ХФТИ АН УССР, РГИ АН СССР, ТПИ им. С. М. Кирова и др. При создании сверхпроводящих резонаторов успешно применяются сверхпроводники первого (Pb, Nb) и второго рода (Nb—Ті, Nb3Sn). Например, в разрабатываемом в НИИЭФА им. Д. В. Ефремова сверхпроводящем электронном ускорителе на энергию 5 Мэв используются ниобиевые резонаторы на частоте 2,8 гц при 1,85 К с добротностью Q≈4х109, а в действующей модели сверхпроводящего электронного ускорителя ХФТИ АН УССР — свинцовые резонаторы, работающие на частоте около 1 гц при 2,5°К с добротностью Q≈IO9: в резонаторах модуля кольцетрона, как отмечалось ранее, использовано ниобий-титановое покрытие.
Успешная работа над элементами и моделями сверхпроводящих ускорителей дает основание утверждать, что в ближайшие годы такие ускорители появятся. Наибольшие успехи в использовании сверхпроводимости в физике высоких энергий достигнуты при создании и эксплуатации СМС для систем разводки пучков, пузырьковых камер и др. В ряде случаев, особенно при исследованиях короткоживущих частиц, без использования СМС вообще затруднительно проведение эксперимента. Примером такой системы является созданная совместно ИТЭФ и НИИЭФА им. Д. В. Ефремова установка «Гиперон-1». СМС этой установки имеет диаметр внутреннего «теплого» отверстия 1 м и состоит из двух катушек, отстоящих друг от друга на 0,18 м. Индукция магнитного поля в центре рабочего объема составляет 6 тл.
Рис. 6.11 Сверхпроводящая магнитная система для экспериментальной термоядерной установки открытого типа ЛИН-5Б
