Импульсные магнитные поля условно делятся на два класса: класс сильных и класс сверхсильных магнитных полей. В первом магнитное поле получается без разрушения и существенной деформации соленоида; его значение лежит в области до (5-7)*105 Э. Здесь используются главным образом геликоидальные соленоиды, выточенные из прочных материалов (бронзы, стали). Во втором соленоид либо сильно деформируется, либо полностью разрушается; диапазон получаемых с их помощью полей простирается в область свыше 106 Э. Соленоиды для сверхсильных полей - исключительно одновитковые. Они просты и дешевы в изготовлении.
Принципиальная возможность использовать импульсные магнитные поля для научных исследований связана с тем, что характерные времена многих физических явлений и процессов существенно меньше времени существования импульсного поля, так что для них последнее можно рассматривать как квазистационарное.
Идея метода получения импульсного магнитного поля была высказана П.Л. Капицей в 1923 году и успешно реализована им в последующей научной деятельности. Идея эта очень проста: для генерации сильного магнитного поля необходима очень большая мощность (H ~ I ~ W1/2). Ее можно получить, если сравнительно небольшую энергию Е реализовать за короткий промежуток времени t в соленоиде. Тогда  . Существенно, чтобы диссипируемая энергия Е не приводила к тепловому разрушению соленоида. Установки для импульсных магнитных полей состоят из четырех основных частей: источника энергии, накопителя энергии, ключа и собственно соленоида. В 20-е годы наиболее эффективным накопителем энергии оказался специально разработанный Капицей механический накопитель кинетической энергии. Это был генератор переменного тока, сконструированный для работы в короткозамкнутом режиме. Источником энергии был мотор постоянного тока на 60 кВт. Он раскручивал массивный ротор генератора (2,5 тонны) до 3500 об/мин. В момент, когда напряжение проходило через нуль, механический ключ, синхронно работающий с генератором, замыкал цепь генератора на соленоид на время первого полупериода тока. Часть накопленной в роторе кинетической энергии переходила в электрическую. В цепи соленоида развивалась мощность до 50 МВт при токе до 7,2*104 А. Соленоиды навивались в несколько слоев шиной квадратного сечения. Шина изготавливалась из кадмиевой бронзы, чье электрическое сопротивление было близко к меди, а механическая прочность - к стали. Капице удалось получить поля до 5*105 Э длительностью  0,01 секунды. Он выполнил на своей установке исследования по физике твердого тела, которые стали классическими.
В последующем в послевоенные годы в этом методе претерпели изменения лишь основные узлы установки: источник энергии - высоковольтные выпрямители постоянного тока, накопители - батареи высоковольтных конденсаторов большой емкости, ключи - вакуумные разрядники. Конденсаторные батареи при емкости в несколько тысяч микрофарад и напряжении до 30 кВ способны накопить энергию в несколько мегаджоулей и получать в импульсе мощность в десятки мегаватт.
По существу, после того как заряженная батарея конденсаторов замыкается на соленоид, электрическая цепь является колебательным контуром, в котором возникают свободные затухающие колебания тока:
 | (4) |
где k = R / L, частота
Соответственно L, C, R - индуктивность, емкость и сопротивление всей цепи.
При слабом затухании I0 можно оценить из баланса энергии:
Из (4) видны пути увеличения максимально достижимого поля, когда возможности конденсаторной батареи исчерпаны. Необходимо уменьшать сопротивление и индуктивность подводящей ток цепи. Для этой же цели иногда охлаждают соленоид жидким азотом. Сопротивление соленоида при этом падает в 10 раз.
Импульсные сильные магнитные поля успешно используются во многих лабораториях. Наиболее известна сейчас магнитная лаборатория в Токийском университете, где были недавно получены поля напряженностью до 106 Э при длительности импульса  секунды.
Метод, аналогичный описанному, применяется и для получения сверхсильных магнитных полей. Увеличение мощности происходит за счет уменьшения длительности импульса (интервал t перемещается в область микросекунд). Но это одноразовые опыты, так как соленоиды разрушаются. Жертвуя соленоидом и всем, что находится внутри него, удается получать поля 5*106 Э. Это рекорд. Он достигнут в Институте атомной энергии РАН в Москве.
Назад | Вперед
Написать комментарий
|
