Сверхпроводящие магниты

Сверхпроводящим магнитом называется такой электромагнит, обмотка которого обладает свойством сверхпроводника. Как и в любом электромагните, магнитное поле порождается здесь постоянным током, текущим по проводу обмотки. Но поскольку ток проходит в данном случае не по обычному медному проводнику, а по сверхпроводнику, то и активные потери в таком устройстве окажутся крайне малы.

В качестве сверхпроводников для магнитов данного типа практически всегда выступают сверхпроводники второго рода, то есть такие, у которых зависимость магнитной индукции от напряженности продольного магнитного поля нелинейна.

Для того, чтобы сверхпроводящий магнит начал проявлять свои свойства, обычных условий недостаточно, — его необходимо привести к низкой температуре, чего в принципе можно добиться различными путями. Классический же способ таков: устройство помещают в сосуд Дьюара с жидким гелием, причем сам сосуд Дьюара с жидким гелием размещается внутри другого сосуда Дьюара, с жидким азотом, чтобы жидкий гелий испарялся бы как можно менее интенсивно.

В качестве реального примера мощного сверхпроводящего магнита, можно привести магнит Большого адронного коллайдера (БАК), в котором с помощью сильнейшего магнитного поля необходимо удерживать летящие с невероятной скоростью высокоэнергетические протоны на определенной траектории внутри протяженного подземного тоннеля.

1232 громадных электромагнита, каждый из которых весит около 30 тонн, и имеет длину 15 метров, установлены в тоннеле БАКа друг за другом. Протонные пучки пропускаются здесь по тонким трубкам, а трубки эти как раз и проходят внутри дипольных магнитов, величина индукции которых регулируется в диапазоне от 0,54 до 8,3 Тл.

Сверхпроводящие свойства магнитов на БАК достигаются применением особой сверхпроводящей проволоки: каждый магнитный диполь содержит по индивидуальной сверхпроводящей катушке, намотанной ниобиево-титановым кабелем, причем сам кабель составлен из тончайших проволочек диаметром 6 микрон.

Суть в том, что ниобий-титан является низкотемпературным сверхпроводником, поэтому температура, необходимая для поддержания номинального режима сверхпроводимости таких обмоток, равна здесь всего 1,9К (ниже чем температура фонового микроволнового излучения в открытом космосе).

Система охлаждения магнитов БАК работает благодаря жидкому гелию, все время пребывающему в движении. 97 тонн жидкого гелия находятся внутри специальной оболочки, где под определенным давлением достигается сверхтекучесть этого охлаждающего вещества.

Охлаждение непосредственно жидкого гелия происходит под действием 10000 тонн жидкого азота. Процесс охлаждения производится в две стадии: морозильная установка обычного типа сначала охлаждает гелий до 4,5К, а затем осуществляется дополнительное его охлаждение, но уже в условиях пониженного давления. Все это действо по времени занимает порядка месяца.

Когда условия касательно температуры обеспечены, наступает черед огромных токов. На БАК ток питания магнитов достигает 12000 ампер. При этом расходуется мощность, сравнимая с той, что приходится на электроснабжение всего города Женевы. Электрическая энергия, приходящаяся на один сверхпроводящий магнит, равна приблизительно 10 МДж.

Сверхпроводящие магниты применяются также в ЯМР-томографах и спектрометрах, в поездах на магнитной подушке, в термоядерных реакторах и многих других экспериментальных установках, например связанных с левитацией .

Интересный факт: на диамагнетики слабые магнитные поля практически не оказывают сколь-нибудь ощутимого действия, но когда речь заходит о сильных магнитных полях, порождаемых сверхпроводящими магнитами, то здесь картина существенно изменяется. Углерод, входящий в органические объекты и в живые организмы, является диамагнетиком, поэтому живая лягушка может парить в магнитном поле с индукцией 16 Тл.