Надпровідність та її використання в техніці (стр. 6 из 7)
| Вакуумна ізоляція |
Рис .14
Внутрішня труба діаметром близько 70 мм, покрита шаром надпровідного матеріалу товщиною близько 0,3 мм, заповнена рідким гелієм, який женуть по ній насоси. В якості надпровідника може бути використаний, наприклад, сплав ніобію, титана і цирконію. Між першою і другою трубами вакуумна ізоляція, між другою і третьою протікає рідкий азот, між третьою і четвертою (зовнішньою) знову вакуумна ізоляція.
Незважаючи на простоту конструкції, монтаж такої лінії пов’язаний із значними труднощами.
Треба забезпечити герметичність кабелю, навчитися збирати його з окремих коротких відрізків, розробити рефрижератори, компенсатори деформацій і інше устаткування. "Холодні" лінії повинні витримувати перевантаження й аварійні режими, тому важливо удосконалювати і стабілізацію ліній.
2.4 Трансформатор постійного струму
Ще одна немислима конструкція на надпровідниках - трансформатор постійного струму.Трансформатор - один з найпоширеніших виробів електротехнічної промисловості. Вони настільки прості по своїй конструкції, що поліпшити їх неймовірно важко. Сьогоднішній прогрес у трансформаторобудуванні зв'язаний з удосконаленням технології їхнього виготовлення. Промисловість пропонує тисячі типів трансформаторів - різні по потужності, по вазі, по кількості обмоток... Немає тільки трансформатора постійного струму.Одержати постійний струм у вторинній обмотці ненадпровідного трансформатора дійсно неможливо. У звичайних умовах не можна передати енергію від однієї обмотки до іншої за допомогою постійного струму, тому що струм у первинній обмотці, а отже, і магнітний потік у магнітопроводі не міняються по величині і напрямку. Тільки при включенні, коли струм у первинному ланцюзі наростає, тобто під час перехідного процесу, у вторинній обмотці виникає імпульс струму, але він швидко загасає через електричний опір вторинної обмотки. Якщо зробити обмотки трансформатора надпровідними, первинну обмотку з'єднати через вимикач із джерелом струму поза кріостатом, а вторинну замкнути на надпровідний ланцюг, то описаний перехідний процес піде інакше. При подачі струму в первинну обмотку у вторинній обмотці індукується електрорушійна сила , що викликає струм, який не загасає навіть тоді, коли вже немає електрорушійної сили , оскільки опір надпровідника дорівнює нулю. За допомогою таких трансформаторів постійного струму можна подавати в кріостат з рідким гелієм невеликий струм по тонких провідниках , трансформувати цей струм , доводячи його силу до десятків тисяч ампер. І ці величезні струми будуть циркулювати по надпровідній обмотці, у той час як з області , що має кімнатну температуру, трансформатору буде подаватися струм усього лише кілька ампер.
2.5 Магнітні підвіси і підшипники
Надпровідна сфера (Рис. 15) висить над кільцем, у якому циркулює незатухаючий струм. Відбувається це , як ми вже знаємо, завдяки діамагнетизму надпровідників. Сила ваги сфери врівноважується "магнітною подушкою", що створюється надпровідним струмом.
Рис .15
Висіти таким чином, як з'ясувалося, можуть досить важкі предмети.
Ефект механічного відштовхування використовується для створення магнітного підвісу. Найбільш простий варіант такого пристрою схематично зображений на рисунку 16.
Надпровідний диск опускається на надпровідну котушку , у якій тече незатухаючий струм. На цьому принципі можна створити різні пристрої, що дозволяють забезпечити стійку підвіску в одному, двох чи трьох напрямках. На рисунку 16,а зображений підшипник, стійкий в одному напрямку, а на рисунку 16,б показано застосування цього принципу підвіски підшипника на всі три напрямки в просторі.
Подібні магнітні підвіси можуть працювати у всіляких пристроях. Особливо вони зручні в тих випадках, коли тіло, підвішене в магнітному полі, повинне обертатися з великим числом обертів.
 |
а) б)
Рис .16
2.6 Надпровідні перемикачі й елементи пам’яті
Ідея про використання надпровідників в ЕОМ виникла давно. Ще в середині 50-х років було запропоновано надпровідний пристрій – кріотрон, у якому реалізуються два стани і який може переключатися з одного стану в інший . Кріотрон - пристрій нескладний . У своїй первісній і найпростішій формі він являв собою танталовий дріт - вентиль, навколо якого були намотані витки з ніобію (Рис .17). І тантал, і ніобій - надпровідники, але критична температура танталу 4,4 К , а ніобію - 9,2 К. Тому в гелієвій ванні при температурі 4,2 К вентиль (і тим більше обмотка) знаходиться у надпровідному стані і не робить опору струму. При подачі в обмотку струму достатньої величини на поверхні вентиля з'являється магнітне поле , що перевищує критичне, і танталовий дріт переходить у нормальний стан з кінцевим опором. Керуюча обмотка, що має більш високу критичну температуру, залишається при цьому у надпровідному стані.
Такий пристрій діє як реле, замкнуте у надпровідному і розімкнуте в нормальному стані. Так можна записувати 0 чи 1, тобто створювати найпростіший елемент пам'яті. З декількох кріотронів, з'єднуючи їх у схему, можна створити пристрій, що розмикає одні і замикає інші канали для проходження струму, тобто створювати логічні й інші елементи ЕОМ.
Рис .17 Рис .18
Сказане можна проілюструвати простим прикладом. Нехай струм розподіляється по двох рівнобіжних ланцюгах, що містять кріотрони (Рис. 18). Якщо обидва розгалуження є надпровідними, то струм буде розгалужуватися по них відповідно до їхніх індуктивностей. Якщо тепер кріотрон К1 на короткий час перевести в нормальний стан, то загальний струм піде по правому ланцюзі. Такий розподіл струму буде стабільним доти , поки , скажемо, кріотрон К2 не буде переведений у нормальний стан керуючим імпульсом, поданим на його котушку. Такий імпульс перекидає струм у лівий ланцюг.
За допомогою кріотронів К3 і К4 можна визначати, у якому ланцюзі тече надпровідний струм, тобто робити операцію зчитування. Кріотрон , керований струмом , що протікає по даному розгалуженню , знаходиться в нормальному стані і при подачі на нього імпульсу зчитування дасть сигнал у виді напруги. Кріотрон в іншому ланцюзі залишається у надпровідному стані. Дротовий кріотрон є простий по конструкції. Поряд з цим він відрізнявся малою розсіюючою тепловою потужністю при переході в нормальний стан. І все-таки для кріоЕОМ дротові кріотрони виявилися непридатними - вони працювали занадто повільно. У змаганні із швидкодіючими напівпровідниковими елементами дротовий кріотрон програє. І не тому, що "повільна" сама надпровідність: перехід дротини з одного стану в другий відбувається дуже швидко. Швидкодія кріотронного перемикача визначається його сталою часу τ = L/R, де L - індуктивність керуючої обмотки, a R - опір вентиля в нормальному стані. У дротових кріотронів τ = 10-3...10-4 с - це явно недостатньо для їхнього застосування в сучасних машинах. Щоб зменшити постійну часу τ, необхідно гранично збільшити опір R і зменшити індуктивність.
Цю задачу можна вирішити, якщо замість дротин у кріотроні використовувати тонкі плівки, отримані напилюванням у вакуумі. Такий плівковий кріотрон показаний на рисунку 19.
Рис .19
Вентиль тут виконаний у виді тонкої плівки олова, нанесеної на підкладку, а керуючим елементом служить свинцева плівка, що може розташовуватися або перпендикулярно вентилю (поперечний кріотрон, рис. 19,а), або паралельно (подовжній кріотрон, рис. 19,б). Зміною струму через керуючу плівку можна переводити вентиль із надпровідного стану у нормальний і навпаки , тобто включати і виключати ланцюг. Обидві плівки відділені одна від одної тонким шаром ізолятора (звичайно це окис кремнію) . Вони мають товщину порядку 10-7 – 10-9 м, а тому малу індуктивність і високий опір.
2.7 Надпровідні об’ємні резонатори
Об'ємні резонатори знаходять застосування в мікрохвильовій техніці як елементи настройки і фільтри. Смуга частот і добротність об'ємних резонаторів визначається величиною їхнього поверхневого опору. З цієї причини поряд з гарними провідниками (такими, як Сu, Ag і Аl) як матеріали для конструювання об'ємних резонаторів особливо високої якості використовуються також надпровідники . Для цих цілей немає необхідності використовувати тверді надпровідники, тому велика частина досліджень проводилася з оловом. Поверхневий опір надпровідника при гелієвих температурах в області дуже високих частот відмінний від нуля і винятково сильно залежить від стану поверхні провідника.
2.8 Надпровідні екрани для магнітних полів
Як відомо, магнітні поля не проникають у надпровідники, і це дає ідеальну можливість використовувати їх як екрани для магнітних полів. Як уже згадувалося, сильне магнітне поле можна екранувати тільки за допомогою твердих надпровідників; при цьому не вимагаються високі значення критичного струму (чи, відповідно, густини струму). У більшості випадків досить листа заліза, покритого тонким шаром твердого надпровідника. Такі екрани можуть знайти цікаві застосування також в електронній оптиці й електронній мікроскопії: краща екранізація дозволяє здійснити більш точне коректування ходу променів.