Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
СВЕРХСИЛЬНЫЕ МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ

СВЕРХСИЛЬНЫЕ МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ

СВЕРХСИЛЬНЫЕ МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ - поля с напряжённостью H1 МЭ (граница условна). Классификацию магн. поля обычно связывают со способамиполучения полей. Слабые (до 0,5 кЭ) и средние (до 40 кЭ) магн. поля получаютв лаб. условиях с помощью постоянных магнитов и электромагнитов. Для получениясильных стационарных полей до ~300 кЭ используют охлаждаемые и сверхпроводящиесоленоиды (катушки) (см. Сверхпроводящий магнит). Поля св. 300 кЭполучают практически только в квазистационарных (длительность импульса с) или импульсных (< 10"³ с) режимах при пропускании сильных электрич. токовчерез соленоиды разл. конструкций либо при сжатии внеш. силами магн. потокавнутри замкнутого проводящего витка (лайнера). Генерация С. м. п. с напряжённостью 1 МЭ сопровождается существ. повреждениями материала катушек и даже ихразрушением, т. е. магн. системы становятся пригодными только для однократногоприменения. Простейший способ получения С. м. п.- разряд батареи импульсныхконденсаторов через одновитковый соленоид. Таким способом получают магн. <поля до 4 МЭ. Поле в 4 МЭ обладает плотностью энергии ,сравнимой с энергией связи атома в твёрдых телах (для металлов имеет величину неск. эВ/ат). В зоне действия такого поля происходит, какправило, полное разрушение (превращения в пар) материала катушки. Самыевысокие значения поля (вплоть до 25 МЭ) в лаб. условиях получают методомсжатия магн. потока с использованием энергии взрывчатых веществ (В В).

Совр. физику интересуют и более высокие поля, недостижимые пока в лаб. <практике, их влияние на строение атомов и молекул и соответственно на физ. <свойства веществ. Оказывается, что существенных эффектов можно ожидать, <напр., когда силы со стороны магн. поля Н _ат становятся преобладающимипо сравнению с кулоновским взаимодействием электрона с ядром. Это происходит, <когда величина поля Э. Ещё более сильное поле Э определяет границы применимости классич. электродинамики. В полях Н > Н _КВ значит. роль играют не только релятивистские, <но и квантовые эффекты.

Астрофиз. исследования указывают на существование гигантских магн. полейу нек-рых типов звёзд (см. Магнитные поля звёзд). Напр., у белыхкарликов обнаружены поля ~10⁷ Э, у быстровращающихся нейтронныхзвёзд ( пульсаров) - Э. Ещё более высокие поля (Э) зарегистрированы у рентгеновских пульсаров - в двойных звёздныхсистемах, одна из к-рых является нейтронной звездой. Сжатие магн. потокапри гравитац. коллапсе звезды может приводить к возникновению магн. полей10¹⁴ Э. Эти уникальные природные источники открывают возможностьдля изучения С. м. п. такого уровня и их влияния на перестройку атомныхструктур, приводящую к появлению новых, необычных состояний вещества.

С. м. п., существующие в микромире, могут быть обнаружены при проведениинек-рых физ. экспериментов. Поля Э имеются вблизи ядер свободных атомов, на что указывает сверхтонкаяструктура энергетич. уровней электронов (см. также Внутрикристаллическоеполе). С. м. п. возникают при форсировании мощных лазерных пучков. <Напр., при фокусировке лазерного излучения мощностью Р= 10¹² Вт на площади S =10^-4 см ² плотность эл.-магн. <энергии P/cS в фокусе соответствует напряжённости поля , т. e. ~ 10⁷ Э. Признаки существования магн. полей напряжённостьюдо 10⁸ Э обнаружены при кумуляции плазмы в установках типа плазменногофокуса. Магн. поля звёздного уровня должны возникать при нецентральныхстолкновениях тяжёлых ионов. Эквивалентный электрич. ток ионов при такихвзаимодействиях может возбуждать магн. поле .При относительной скорости ионов v= 0,1 с и суммарном заряде (Z₁+ Z₂) > 170 на очень коротких расстояниях Л, сравнимых с радиусомядра, поле может достигать величины ~10¹⁴ Э.

Получение сильных и сверхсильных магнитных полей. Задачи получениясильных магн. полей в лаб. практике сводятся к созданию источников токаи спец. устройств (соленоидов, катушек, лайнеров и др.), в к-рых и генерируетсяполе при прохождении через них тока. Источники тока и соленоиды должныудовлетворять техн. требованиям, соответствующим уровню получаемых полей. <Т. к. H7, то в общем случае увеличение поля в соленоиде требует соответствующегороста тока I. А это в свою очередь приводит к увеличению выделения джоулеватепла в материале соленоида и росту в нём механич. напряжений (за счётмагн. составляющей Лоренца силы). Поэтому осн. проблемы на путипродвижения в область более сильных полей связаны с решением задач тепловойстойкости и механич. прочности соленоидов.

Сильные стационарные магнитные поля получают в водоохлаждаемых резистивныхсистемах, состоящих, как правило, из 2-3 коаксиальных соленоидов разл. <конструкций. Максимально достигнутое поле в рабочем зазоре 32-50 мм составляет250 кЭ (Институт физики твёрдого тела им. М. Планка, Гренобль, Франция).Ограничение величины поля связано с проблемой охлаждения обмоток соленоидов. <Мощность Р, рассеиваемая в катушке, связана с величиной поля H₀ в её центре соотношением

где r₀ - внутр. радиус катушки,- уд. сопротивление проводника,- коэф. заполнения (V₁ - объём проводника, V₀ - объёмпространства в обмотке, незаполненный проводником), G - константа, <характеризующая геометрию катушки. Чтобы получить, напр., поле Н=100 кЭ в медной катушке с r₀ = 2 см при комнатной темп-ре, нуженисточник тока мощностью Р 2 МВт. Для получения магн. поля в 250 кЭ использовался источник с Р 10 МВт, а расход охлаждающей дистиллиров. воды составил ~ 400 м ³/ч. <В качестве одной из секций резистивных соленоидов часто используется конструкциякатушки, предложенная Ф. Биттером (F.Bitter, 1939). В ней металлич. <диски с разрезами, служащие витками соленоида, и изолирующие прокладкиобразуют при сборке двойную спираль, а охлаждающая вода прогоняется черезперфорацию в дисках (рис. 1). Резистивные стационарные магниты с их системамипитания и охлаждения представляют собой крупные дорогостоящие сооружения, <использующиеся во мн. науч. центрах. Дальнейшее повышение напряжённостистационарных полей в обычных резистивных системах ограничено техн. возможностямиотвода больших мощностей, выделяющихся в малых объёмах. Кардинальное решениепроблем тепловыделения при генерации С. м. п. даёт использование сверхпроводящихматериалов. Однако макс. поля, получаемые в сверхпроводящих соленоидах, <не превышают 175 кЭ, хотя критические магнитные поля(H _с )нек-рых сверхпроводников имеют большие значения (напр., Н _с 250 кЭ в Nb₃Gе, H _с 350 кЭ в V₃Ga). Создание сверхпроводящих магн. систем с магн. <полями > 175 кЭ затрудняется уменьшением с ростом поля критическоготока и технол. проблемами.

Рис. 1. Конструкция соленоида Биттера: 1 - охлаждающие отверстия;2 - медные пластины; з - неизолированная поверхность контакта; 4 - изоляционныекольца; 5 - сечение катушки.

Использование комбиниров. магн. систем, сочетающих в одном устройстверезистивный и сверхпроводящий соленоиды, даёт перспективу получить стационарныемагн. поля до 500 кЭ. В таких устройствах получено стационарное магн. поленапряжённостью 318 кЭ (Национальная магнитная лаборатория им. Ф. Биттера, <США, 1987). Более высокие поля получают только в квазистационарном и импульсномрежимах (рис. 2). Первые системы для получения таких сильных магн. полейбыли созданы П. Л. Капицей (1924).

Рис. 2. Зависимость напряжённости магнитного поля от длительностиимпульса.

Кваз и стационарны ми обычно наз. сильные магн. поля с длительностьюимпульсов поля (с), при к-рой в соленоидах ещё слабо проявляется скин-эффект. Еслинапряжённость магн. поля при такой длительности импульсов не превышает1 МЭ, его ещё можно получать в неразрушающихся системах. Для ограничениятепловыделения q~~ в материалекатушки, растущего с повышением поля, используют два пути: уменьшение длительностиимпульса поля и снижение уд. сопротивления материала соленоида. (Предварительное охлаждение медной обмотки соленоидадо темп-ры жидкого азота [77,4 К] снижает её уд. сопротивление в 8 раз, <а охлаждение до темп-ры жидкого водорода [20,4 К] - в 1000 раз.) При большихзначениях поля мощность, выделяющуюся в обмотке соленоида, невозможно снятьв течение импульса охлаждающей жидкостью и, чтобы не допустить опасногоперегрева, нужно рассчитывать только на собств. теплоёмкость обмотки. Приконструировании криогенных соленоидов необходимо учитывать, что с ростомполя и снижением темп-ры у мн. металлов (напр., у Си) линейно с полем растёт магнетосопротивление. В качестве материала для криогенных соленоидовчасто используют алюминий высокой чистоты (99,999%), т. к. его магнетосопротивлениепри темп-рах 20-30 К стремится к насыщению уже в полях 20- 40 кЭ. Помимоснижения электросопротивления глубокое охлаждение повышает механич. прочностьматериала соленоида, поэтому охлаждённые катушки выдерживают большие напряжённостиполя. В полях 400 кЭ определяемое магн. полем давление создаёт в элементах конструкции соленоидов механич. напряжения, превосходящиепредел текучести большинства традиционно используемых для их изготовления материалов (Си, <разл. бронзы, А1 и др.). Пондеромоторные силы стремятся разорватьвитки обмотки соленоида в радиальном направлении и сжимают их в осевом, <разрушая изоляцию. Уменьшением длительности импульса поля можно добитьсятого, чтобы материал обмотки не претерпел за время импульса значит. деформации. <Квазистационарные соленоиды - многовитковые системы, обладающие, как правило, <большим отношением собственной индуктивности к сопротивлению, и их легкосогласовать с любыми использующимися источниками тока: конденсаторнымибатареями, мотор-генераторами, униполярными генераторами.

Существует большое кол-во конструкций квазистационарных соленоидов:однослойные и многослойные, секционированные, спиральные, часто используетсяконструкция биттеровского типа. Для повышения прочности конструкций применяютпропитку обмоток компаундами и используют наружные бандажи из прочной сталии композитных материалов. Рабочие объёмы поля соленоидов колеблются отнеск. см ³ до неск. сотен см ³, длительность импульсову криогенных соленоидов, как правило, на 12порядка выше, чем в тёплых. Ресурс соленоидов определяется не только механич. <прочностью и тепловой стойкостью материала обмоток, но и качеством межвитковойэлектрич. изоляции. Из-за накопления неизбежных остаточных деформаций вматериале обмоток и изоляции в процессе работы соленоидов их ресурс ограничени составляет от неск. импульсов при макс. полях до неск. тысяч импульсов.

В ряде конструкций предложены способы, облегчающие решение проблем механич. <прочности соленоидов. В конструкции с самоподдерживающимися обмотками соленоидразбивается на секции, в каждой из к-рых механич. напряжения не превышаютпредела прочности материала и не передаются от одной секции к другой. Суммарноевоспроизводимое поле в таком соленоиде может быть ~1 МЭ. Однако при такойконструкции резко увеличиваются размеры и вес системы и снижается эффективностьиспользования источника энергии (доли %). Для «бессиловых» конфигурацийобмоток векторы плотности тока j и поля Н параллельны. В этом случаепондеромоторные силы , приводящие к механич. напряжениям в витках, обращаются в нуль (для бесконечныхсистем). Для реальных (конечных) обмоток можно добиться существ, уменьшениядействующих сил в одной части магнита, а другая его часть будет «удерживать»(обжимать) первую. Такие «бессиловые» конфигурации преобразуют высокоедавление в малой области в низкое давление, распространённое на большуюобласть, что приводит к увеличению размеров всей системы. Простейшая «бессиловая»конфигурация представляет собой обмотку, навитую на цилиндрич. каркас подуглом 45° к образующей цилиндра. В такой системе наружное азимутальноеполе равно внутреннему аксиальному.

Сверхсильные импульсные магнитные поля получают чаще всего при разрядеёмкостных накопителей энергии на одновитковые соленоиды (рис. 3). Одновитковыекатушки, разрушающиеся при однократном использовании, являются наиб. простойконструкцией для получения импульсных магн. полей в диапазоне 14МЭ. Внутр. диаметр и длина катушек обычно не превышают 1 см. Индуктивностьих мала (L~ нГн), поэтому для генерации в них сверхсильных полейтребуются токи мегаамперного уровня. Их получают с помощью высоковольтныхконденсаторных батарей с низкой собств. индуктивностью и запасаемой энергией W ~10⁴10⁶ Дж. Длительность импульсов получаемого поля с, а время нарастания поля до макс. значения составляет обычно 0,52мкс. Существ. роль в процессе генерации таких полей играет скин-эффект:ток концентрируется в тонком слое на внутр. поверхности соленоида. Плотность тока может достигать очень большихвеличин j3*10⁷ А/см ². Следствием этого является возникновениев материале соленоида значит. градиентов темп-ры и магн. давления. Большиевеличины магн. давления ,преобразующиеся в пределах глубины скин-слоя в механич. напряжение, инициируют ударно-волновое сжатие и пластич. течениематериала соленоида за фронтом ударной волны. Из-за мощного энерговыделения в скин-слое растёт уд. сопротивление ,проникновение поля в материал соленоида приобретает нелинейный характер, <токовый слой с внутр. поверхности перемещается в глубь проводника. Процесснагрева носит адиабатич. характер. Темп-ру поверхности в этом случае можнооценить по ф-ле ,где c_v - уд. теплоёмкость при пост, объёме, -плотность материала катушки (величина Н выражена в МЭ). Уже при Н=1 МЭ поверхностный слой катушки, выполненный из тугоплавких металлов, начинаетплавиться. С дальнейшим ростом поля область плавления распространяетсяв глубь проводника, а на его поверхности начинается испарение материала.«Волна испарения» проникает внутрь проводника, вследствие чего он теряетпроводимость. Одновременно создаются условия для развития неустойчивостейна границе поле - проводник и электрич. пробоя слоя металлич. паров, образующихсявблизи поверхности соленоида (характерные времена этих процессов сравнимыс длительностью импульса поля .а их интенсивность резко нарастает с увеличением Н). В итоге происходитвзрывообразное разрушение материала соленоида («взрыв скин-слоя»). За времят возрастает размер области, занимаемой полем в соленоиде, увеличиваютсяиндуктивность и сопротивление соленоида. Это приводит к нарушению линейнойзависимости между Н и I (рис. 4) и пространственной нестационарное™поля. При генерации мега-эрстедных импульсных полей ( Н~ 14МЭ) осн. роль играют физ. процессы взаимодействия поля с материалом соленоида. <Количеств. характеристики физ. процессов зависят не только от величиныполя Н, скорости его изменения dH/dt,, но и от физ. свойств материала соленоида и его размеров. По совокупностисвойств лучше др. металлов противостоит разрушающему действию мегаэрстедногополя тантал. Это связано с высокой плотностью и темп-рой плавления Та, <с характером распространения ударных волн (при к-ром обеспечивается малаяскорость частиц), с высокой вязкостью, обеспечивающей целостность катушкипри ударных нагрузках, и др. Разл. способы внеш. упрочнения конструкцийимпульсных соленоидов практически не оказывают влияния на величину генерируемогополя, т. к. за короткое время его существования возмущения из зоны взаимодействия поля с материалом катушек, <где выделяется осн. энергия, не успевают распространиться на большой объём.

Рис. 3. Одновитковый соленоид, включённый в цепь конденсаторной батареи:С - конденсаторная батарея; Р - разрядник; R - сопротивление контура; L- внутренняя индуктивность контура.

Рис. 4. Временные зависимости тока и поля при разряде конденсаторнойбатареи на Одновитковый соленоид (медь, диаметр d₀ = = 2,4 мм, <длина l₀ = 4 мм): 1 - ток, 2 - поле.

Метод сжатия магнитного потока (магн. кумуляция) позволяет получитьмакс. магн. поля в условиях лаборатории. Если внутри проводящей цилиндрич. <оболочки (лайнера) с радиусом r₀ и сечением создать аксиальное магн. поле Н ₀ и затем симметричнои достаточно быстро сжать лайнер внеш. силами [за время t уменьшиврадиус до r(t)], то магн. поток Ф = H₀S₀ внутри лайнеране успеет измениться и поле возрастёт:. Идея магн. кумуляции предложена А. Д. Сахаровым (1951) и реализованав виде устройств, получивших назв. магнитокумулятивных генераторов С. м. <п. МК-1 (рис. 5). Сжатие лайнера осуществлялось давлением продуктов взрывахим. ВВ. Источником тока для создания начального магн. поля может служитьконденсаторная батарея или др. магни-токумулятивный генератор энергии (МК-2),используемый как импульсный генератор тока. В нём эл.-магн. импульсы генерируютсяпри прямом преобразовании энергии взрыва в энергию поля в процессе сжатияи вытеснения магн. потока в нагрузку. В экспериментах были получены полянапряжённостью ок. 5 МЭ в полости диам. 10 мм. В одном из опытов в полостидиам. 4 мм удалось зарегистрировать рекордное поле 25 МЭ (1964). В аналогичномэксперименте в Лос-Аламосе (США) было получено поле ~15 МЭ. Однако неустойчивостьмагн. кумуляции явилась причиной невоспроизводимого характера генерацииС. м. п. Возникающие неустойчивости связаны с развитием возмущений на границеполе - вещество и имеют ту же природу, что и в случае генерации мегаэрстедныхполей в соленоидах.

Рис. 5. Схема магнитокумулятивного генератора МК-1 сверхсильногомагнитного поля: 1 - оболочка (лайнер); 2 - соленоид начального поля; 3- заряд ВВ; 4 - детонаторы; 5 - исследуемый образец; 6 - продукты взрыва.

Стабилизация процесса магн. кумуляции возможна при сжатии магн. потокасистемой последовательно включаемых коаксиальных оболочек (А. И. Павловский, <ВНИИ экспериментальной физики, Арзамас, 1980). Оболочки устроены так, чтоони свободно пропускают магн. поток, пока неподвижны, и захватывают его, <когда начинают двигаться. Неподвижная оболочка (проницаемая для аксиальногомагн. потока) состоит из тонких изолированных друг от друга медных проводников. <Под действием ударной волны сжатия, возникающей при столкновении движущейсяоболочки с неподвижной, изоляция проводников разрушается. Образуется сплошнаямедная оболочка с изотропной проводимостью. Каждый раз, когда возникаетугроза потери устойчивости разогретой внутр. границы оболочки, эта оболочказаменяется новой, холодной, к-рой передаются ф-ции дальнейшего сжатия потока. <Такие устройства наз. каскадными генераторами С. м. п. (рис. 6). Их осн. <достоинство заключается в том, что они обеспечивают стабильность работыи высокую воспроизводимость С. м. п. В каскадных генераторах устойчивовоспроизводятся поля напряжённостью до 16 МЭ в объёме ~5 см ³.Плотность магн. энергии такого поля в 100 раз превышает плотность энергиихим. ВВ, а давление магн. поля достигает 10 Мбар.

Рис. 6. Временные зависимости магнитного поля Н, внутреннего диаметраD и коэффициента сохранения потока в трёхкаскадном магнитокумулятивном генераторе.

Возможности каткадного генератора (при использовании хим. ВВ) дают надеждуна получение полей до 30 МЭ в объёме 15см ³, а при использовании энергии относительно небольшого ядерноговзрыва - до 10³ МЭ.

Сжатие магн. потока, заключённого внутри цилиндрич. лайнера, может производитьсятакже и электродинамич. силами, создаваемыми возрастающим магн. полем внеш. <катушки. Расчёты показывают, что этот способ позволяет получать большиескорости радиального сжатия лайнера, и следовательно можно надеяться ина более высокие поля, чем при использовании ВВ. Практически в таких системахполучены поля до 3,2 МЭ. Вследствие конечной проводимости материала лайнерачасть магн. потока, создаваемого внеш. катушкой, может проникать на начальныхстадиях ускорения внутрь лайнера, а затем сжиматься. Поэтому в системахс эл.-магн. сжатием можно обойтись без предварит. создания магн. потокавнутри лайнера.

Применение сверхсильных магнитных полей. Начало использованиюсильных магн. полей в физ. исследованиях было положено трудами П. Л. Капицы. <В кон. 1920-х гг. он провёл в полях до 320 кЭ обширные исследования магнетосопротивления, <намагниченности, магнитострикции, Зеемана эффекта, траекторий заряж. <частиц. Макс. интерес вызывают С. м. п. в физике твёрдого тела. Они применяютсяв исследованиях гальваномагн., термомагн., оптич., магн.-оптич., резонансныхявлений. Оптич. и магн.-оптич. исследования свойств мн. веществ проведеныв полях до 10 МЭ, в т. ч. при низких темп-pax исследовано влияние С. м. <п. на энергетич. спектры, зонную структуру и др. характеристики твёрдоготела. В полях до 2 МЭ исследовались спектры поглощения и циклотронный резонансв полупроводниках, Фарадея эффект в видимой и ИК-областях спектра, <зеемановское расщепление спектральных линий, магнетосопротивление тонкихвисмутовых проволок, проводятся исследования сверхпроводников с высокимикритич. полями и др. В ядерной физике и физике элементарных частиц С. м. <п. используют для идентификации частиц, фокусировки и отклонения заряж. <частиц, для генерации мощного тормозного излучения и т. д. С. м. п. широкоприменяются в исследованиях по физике плазмы и управляемому термоядерномусинтезу. Импульсное С. м. п.- источник для получения квазигидростатич. <давлений до 5 Мбар, в к-рых проведены исследования ур-ния состояний рядавеществ, изучается сжатие твёрдого водорода при Т 46 К. Энергия магн. поля напряжённостью ~ 1015МЭ превышает энергию связи частиц в твёрдых телах, магн. давление превышаетдавление в центре Земли. Такие поля используются для изучения свойств веществв экстремальных условиях. Сильные магн. поля находят применение в химии, <биологии, широко используются в технол. целях (напр., для магнитно-импульснойобработки и сварки металлов).

Измерения напряжённости С. м. п. производятся прокалиброванными индукционнымидатчиками (магн. зондами), а также по величине эффекта Фарадея и эффектаЗеемана. В астрофиз. измерениях уровень С. м. п. оценивается по степеникруговой поляризации непрерывного излучения.

Лит.: Сахаров А. Д., Взрывомагнитные генераторы, «УФН», 1966,т. 88, в. 4, с. 725; Техника больших импульсных токов и магнитных полей, <М., 1970; Монтгомери Д. В., Получение сильных магнитных полей с помощьюсоленоидов..., пер. с англ., М., 1971; Кнопфель Г., Сверхсильные импульсныемагнитные поля, пер. с англ., М., 1972; Лагутин А. С., О ж о г и н В. И.,Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперименте, М., 1988;Сильные и сверхсильные магнитные поля и их применение, пер. с англ., М.,1988; Павловский А. И., Магнитная кумуляция, «Природа», 1990, № 8, с. 39.В. Ф. Демичев.