Применение явления сверхпроводимости в ускорительной технике

Для увеличения энергии частиц применяются магниты с обмотками, изготовленными из сверхпроводящих материалов. Основное свойство сверхпроводников – чрезвычайно низкое удельное сопротивление (10^-23 Ом см). Это позволяет увеличить плотность тока в обмотках электромагнитов и величину магнитной индукции. При этом энергия частиц возрастает в несколько раз без изменения радиуса орбиты.

Кроме этого, сверхпроводящие материалы используются для изготовления резонаторов и волноводов. В этом случае за счет снижения потерь высокочастотной мощности ускорители могут работать в непрерывном режиме, увеличивается напряженность ускоряющего поля, спектр ускоренных электронов становится более узким.

В сверхпроводящее состояние материал переходит при некоторой критической температуре, лежащей в интервале: Т_кр (0,14 К (Ir) – 22.3 К (Nb₃Ge). Для большинства материалов данная температура предполагает использование жидкого гелия.

Следует отметить, что при наличии магнитного поля, превышающего некоторое критическое значение В_кр, сверхпроводимость разрушается.

В_кр (Т) = В_кр (О) [1-(Т/Т_кр)²].

Существование В_кр означает, что нельзя пропускать сколь угодно большой ток, от которого зависит величина магнитной индукции. При этом разрушение сверхпроводящего состояния не зависит от того, каким способом достигнуто значение В_кр - за счет внешнего магнита или за счет протекания тока в сверхпроводнике.

В сверхпроводящих магнитах нужная конфигурация поля достигается за счет определенного пространственного положения обмоток из сверхпроводящего кабеля.

Кабель обычно выполняется из отдельных жил диаметром от нескольких единиц до нескольких десятков микрометров. Жилы помещаются в шунтирующий экран из меди. Матрица шунтирует место локального разрушения сверхпроводимости, если такое возникает (например, из-за технологической неоднородности сверхпроводника). В противном случае за счет резкого повышения сопротивления из-за выделения большого количества тепла возможен взрыв установки.

Для изготовления жил обычно используется сплав Nb-Ti (Т_кр=9 К). При создании соленоидов применяют интерметаллическое соединение V₃Ga (14,5 К).

При создании сверхпроводящих волноводов и объемных резонаторов ускоряющих устройств применяют сверхчистый ниобий Nb.

Несмотря на то, что использование сверхпроводников требует наличия сложной криогенной системы, а технология изготовления ускоряющих систем чрезвычайно сложна (требует применения электронно-лучевой сварки, глубокого вакуума), достигаемые при этом преимущества оказываются весьма значительными. Это и обуславливает использование сверхпроводников в ускорителях, рассчитанных на сверхбольшие энергии.

Дата добавления: 2014-01-04