Ассоциация государственных научных центров "НАУКА"
Ассоциация государственных научных центров "НАУКА"
Буквально в каждом эпизоде главный герой известного сериала «Доктор Хаус» буднично и повседневно назначал своим больным обследование на приборе магнитно-резонансной томографии (МРТ). Для российских клиник эта столь необходимая процедура до сих пор остаётся дорогостоящей экзотикой. Конечно, каждый сходу может назвать тому массу причин ненаучного характера, но не стоит забывать и об объективных препятствиях. Например, нестабильности сверхпроводников, создающих сильные магнитные поля для работы томографа. Подходы к решению этой проблемы успешно разрабатывает межинститутский коллектив исследователей из Курчатовского института, ВНИИ неорганических материалов им. А.А. Бочвара и ВНИИ кабельной промышленности.
В своих работах, о которых STRF.ru уже писал ранее, учёные развивают, казалось бы, простую идею – использовать в составе сверхпроводников механические добавки с высокой теплоёмкостью. Они снижают риск перегрева установки и неизбежной при перегреве потери сверхпроводимости. О деталях последней работы, опубликованной в журнале Superconductive Science and Technology, нам рассказал Виктор Кейлин, руководитель исследовательской группы и профессор Курчатовского института.
«Материал в сверхпроводящем состоянии обладает строго нулевым электрическим сопротивлением, но даже самые незначительные изменения условий – механические деформации, повышение температуры или напряжённости магнитного поля – могут перевести его в нормальное состояние, – поясняет Кейлин. – К примеру, композитные провода, из которых изготавливают обмотки сверхпроводящих соленоидов при температуре жидкого гелия (критические температуры многих сверхпроводников лежат в области температур жидкого гелия. – STRF.ru) имеют чрезвычайно низкую теплоёмкость. В результате даже самое незначительное тепловыделение в обмотке (например, из-за подвижки витков или растрескивания эпоксидной смолы) может привести к потере сверхпроводящих свойств. Сопротивление такого участка резко возрастает, а вся энергия, запасённая в магнитном поле соленоида, выделяется в виде тепла, что без принятия специальных мер по защите соленоида может привести к серьёзной аварии и разрушению устройства. А плотность этой магнитной энергии огромна! Например, в магните на 12 тесла объёмом 30 литров сосредоточена кинетическая энергия разогнанного поезда метро».
Эту проблему термической стабильности обычно решают за счёт введения дорогостоящей системы охлаждения или же наращивания слоёв сверхпроводника и стабилизатора, влекущего к тому же уменьшение плотности тока. В основе же подхода научной группы Курчатовского института лежит простая и изящная идея модификации керамическими добавками с чрезвычайно высокой теплоёмкостью, за счёт которой композитный сверхпроводящий материал становится гораздо менее чувствительным к термическим возмущениям.
Как замечает Виктор Кейлин, высокотеплоёмкие добавки (ВД) составляют всего 3–5% от объёма обмотки, но повышают её среднюю объёмную теплоёмкость в 10–12 раз. Соответственно, во столько же раз снижается нагрев проводника. Поэтому сверхпроводник с ВД может терпеть в 10 раз большие по энергиям тепловые возмущения, сохраняя стабильность.
В первых своих экспериментах исследователи применяли технику внешнего легирования. Порошки добавок вносились между витками сверхпроводящей катушки-соленоида, что уже приводило к значительному улучшению её стабильности. Однако расчёты показали, что избыточная теплоёмкость добавок срабатывает лишь частично, поскольку характерное время тепловой диффузии между сверхпроводником и включением значительно больше времени термического возмущения. Лишнее тепло буквально не успевало распределиться по введённым добавкам.
Поэтому в следующих своих работах исследователи решили применять технику внутреннего легирования и внедрять жилы теплоёмких добавок непосредственно в сверхпроводящие материалы. Так, для последнего эксперимента были изготовлены два сверхпроводящих (идентичных используемым в МРТ) стометровых провода из ниобата титана NbTi. Один из них был модифицирован добавками оксида гадолиния Gd2O3 (2% по объёму), распределёнными по 14 продольным каналам, а второй оставлен без изменений. В результате критическая энергия возмущений перехода из сверхпроводящего в нормальное состояние для модифицированного провода оказалась больше почти в два раза.
Первые модельные соленоиды из NbTi-проводов томографического типа с 2% об. высокотеплоёмкой добавки Gd2O3 и без неё. Минимальные энергии перехода в нормальное состояние у соленоида с добавкой на 25–75% выше, чем у обычного. Путём удачного расположения и снижения толщины керамических высокотеплоёмких вставок удалось добиться 100-процентной эффективности использования теплоёмкости добавок при характерной продолжительности тепловых возмущений ~ 1 мс. Иллюстрации к статье предоставлены Виктор Кейлиным
Кроме того, в предыдущих работах исследователям также одновременно удавалось достичь и улучшения другого, механического аспекта (потеря сверхпроводящего состояния вызывается механическими напряжениями) стабильности сверхпроводников. Так что предложенная техника оказывается ещё более универсальной и, конечно, помимо сверхпроводников для МРТ вполне может быть использована для создания, например, токомаков или сверхпроводящих линий электропередач. Тем более что стоимость теплоёмкой модификации оценивается учёными лишь в 3–5% от общей стоимости NbTi-проводов, что заставляет лишний раз задуматься о рациональности дорогостоящих и повсеместно распространённых хладагентов.
Михаил Петров