Дальнейший прогресс получения еще больших значений поля был связан с оригинальным и красивым методом - увеличением плотности магнитного потока путем сжатия проводящего кольца или цилиндра. Идея и реализация этого метода принадлежат А.Д. Сахарову (1951 г., см. [Кнопфель Г., 1972]), который работал в то время в закрытой области. В открытой печати этот же метод теоретически рассмотрел Я.П. Терлецкий в 1957 году.
Суть метода в следующем. Возьмем цилиндрическое тонкостенное кольцо из проводящего материала радиусом rH , которое пронизывает начальное магнитное поле Нн . Тогда полный поток магнитного поля через кольцо ФН = SнHн , где Sн - начальная площадь, заключенная внутри кольца, . Подвергнем кольцо быстрой деформации по радиусу (сжатию), такой, что оно изменяется подобно самому себе. В кольце возникнут токи, стремящиеся сохранить поток ФH . На конечной стадии сжатия радиус кольца уменьшится до величины rк . Если время затухания тока существенно превышает время сжатия, то потерями можно пренебречь, то есть считать, что поток через кольцо сохраняется; откуда следует, что конечная плотность магнитного потока
 | (5) |
Больших успехов в использовании метода сжатия магнитного потока достигли российские и итальянские физики. Первоначально деформация кольца (обычно медного) проводилась с помощью направленного взрыва взрывчатого вещества (ВВ). Один из вариантов опытов показан на рисунке 2а. Тонкостенное медное кольцо, называемое "лайнер", окружает кольцевой заряд ВВ. Внутрь кольца плотно вставлен соленоид с небольшим числом витков. Это импульсный соленоид, задающий начальный поток ФH . Его время работы рассчитано так, что оно больше времени затухания тока в кольце, для того чтобы начальное поле смогло проникнуть внутрь кольца. После того как это достигнуто, производится подрыв ВВ по всей внешней периферии. Развивающееся давление приводит к пластической деформации лайнера, и он начинает сжиматься. Сжатие прекращается в тот момент, когда сравниваются электродинамические силы в лайнере с силами взрыва. При удачном проведении опыта, используя массу ВВ в 20 кг, медный лайнер диаметром около 10 см и начальное поле 105 Э, удается получить поле до 2*107 Э. Имеются и другие варианты сжатия магнитного потока с помощью взрыва (рис. 2б).
 |
| Рис. 2. Варианты метода "сжатия магнитного потока". а - Сжатие лайнера: 1 - электрические детонаторы; 2 - взрываемый заряд ВВ; 3 - лайнер - металлическое кольцо; 4 - импульсный соленоид, задающий начальное поле Нн; Sн - начальная площадь захвата потока поля. | | б - Сжатие потока поля в устройстве типа "кузнечные меха": 1 - электродетонатор; 2 - пластина ВВ; 3 - профиль изогнутой медной пластины, образующей площади Sн и Sк, Sн >> Sк; 4 - одновитковый соленоид, образованный медной пластиной; 5 - ключ; С - батарея конденсаторов. После замыкания ключа 5 батарея конденсаторов С генерирует начальный поток поля во всей области (Sн + Sк), охватываемой медной пластиной 3. В момент достижения максимального тока подрывается заряд ВВ. Взрыв начинается слева, поэтому пластина 3 замыкается, захватывая начальный поток поля. Взрыв распространяется вправо, вытесняя поток в катушку 4. |
Более деликатный, изящный и дешевый метод без применения ВВ предложен японскими учеными из Токийского университета. В нем лайнер располагается внутри прочного одновиткового соленоида. Затравочное поле Нн получается от двух катушек, расположенных с двух сторон по торцам лайнера. Разряд мощной батареи конденсаторов на одновитковый соленоид наводит в лайнере токи, текущие в направлении, противоположном токам этого соленоида. Взаимодействие токов деформирует и сжимает лайнер. В этом методе разрушается только лайнер. Метод не требует проведения экспериментов на специальных полигонах. Достаточно стального бокса объемом в несколько кубических метров. Этим методом достигнуты поля до 2*106 Э. На рисунке 3 представлены последовательные стадии сжатия лайнера, полученные скоростной фотографией.
 |
| Рис. 3. Скоростная фотография последовательных стадий сжатия лайнера. У каждого фрагмента указано время в микросекундах. Начиная с 32 мкс виден сжимаемый лайнер - темное кольцо. |
Интересно здесь упомянуть, что природа тоже, по-видимому, использует метод сжатия магнитного потока для сверхсильных магнитных полей. Полагают, что при коллапсе массивной звезды и превращении ее в нейтронную ее радиус уменьшается с 106 до 10 км. В силу большой проводимости, а возможно и сверхпроводимости на определенном этапе сжатия, захватывается первоначальный магнитный поток. При начальном поле в 102 Э поле может возрасти до 1012 Э. Природа звезд-пульсаров связывается с существованием таких полей.
Наконец в заключение этого раздела укажем, что и сверхслабые магнитные поля получаются аналогичным способом. Только в этом случае производится не сжатие, а расширение оболочек, выполненных из сверхпроводника. Расширение происходит медленно с помощью механических устройств. Удается получать поля до 10-8 Э.
Таблица 2 дает представление о величинах магнитного поля и временах их существования, получаемых различными методами.
| Область и время существования поля и метод его получения | H, Э |
| Нейтронная звезда | 1012 |
Сжатие магнитного потока ( мкс) | (2 - 2,5)*107 |
| Разряд конденсаторной батареи на импульсный соленоид | 106 |
| То же, однократная разрушающая генераци | 5*106 |
| Гибридные магнитные системы, стационарное поле | 3*105 |
| Биттеровские соленоиды, стационарное поле | 2,5*105 |
| Сверхпроводящие соленоиды | 1,8*105 |
| Рекордные электромагниты | 7*104 |
| Стандартные лабораторные электромагниты | (2 - 3)*104 |
| Постоянные магниты | (1 - 8)*103 |
| Поле Земли | 0,2 - 0,5 |
| Межпланетное пространство | 10-4 |
| Сердце человека | 5*10-7 |
| Расширение сверхпроводящих оболочек | 3*10-9 |
Конечно, получение сильных магнитных полей не является самоцелью ученых и инженеров, а дает в руки исследователей мощный инструмент познания природы. И этот инструмент эффективно используется. Но мы лишены возможности описать здесь результаты научных исследований. Надеемся, что заинтересованный читатель найдет хорошие обзоры на эту тему в доступной ему литературе, список которой приводится ниже. Прокомментируем его.
В [Карасик В.Р., 1964] наиболее полно изложены методы получения магнитных полей с помощью электромагнитов, соленоидов и сверхпроводников. В [Кнопфель Г., 1972] достаточно полно рассмотрен метод сжатия магнитного потока. Сборник [Ф. Херлах и др., 1988] позволяет узнать как о принципах генерации магнитного поля, так и о действующих в этой области лабораториях. В нем содержится обзор некоторых результатов, полученных в области физики твердого тела и биологии. В [Лагутин А.С., Ожогин В.И., 1988] рассмотрены методы и техника генерации сильных и сверхсильных магнитных полей, обсуждаются перспективы прогресса в этой области. Наконец ["Природа", 1994, N 4.] - это специальный выпуск журнала "Природа", посвященный 100-летию П.Л. Капицы. Он интересен в целом, и в нем есть статья, посвященная самым последним достижениям в области сильных магнитных полей и полученных с их помощью научных результатов.
Автор благодарит Н.П. Данилову за помощь при подготовке рукописи этой статьи.
Карасик В.Р. Физика и техника сильных магнитных полей. М.: Наука, 1964.
Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля. М.: Мир, 1972.
Сильные и сверхсильные магнитные поля / Под ред. Ф. Херлаха. М.: Мир, 1988.
Лагутин А.С., Ожогин В.И. Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперименте. М.: Энергоатомиздат, 1988.
"Природа", 1994, N 4.
Назад
Написать комментарий
|
