СВЕРХСИЛЬНЫЕ МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ

Поля с напряжённостью Н?0,5=1,0 МЭ (граница условна). Нижнее значение С. м. п. соответствует макс. значению стационарного поля =500 кЭ, к-рое может быть доступно средствам совр. техники, верхнее — полю 1 МЭ, даже кратковрем. воздействие к-рого приводит к разрушению магн. катушек.

В природе встречаются значительно более сильные поля. Астрофиз. исследования указывают на существование полей =106 МЭ у быстровращающихся нейтронных звёзд — пульсаров. Сжатие магн. потока при гравитационном коллапсе звёзд может привести к возникновению магн. полей до 107 МЭ. С. м. п. (=105—107 Э) имеются вблизи ядер свободных атомов, на что указывает сверхтонкая структура энергетических уровней электронов. Магн. поля мегаэрстедного диапазона возникают при фокусировании мощных лазерных пучков. Напр., если сфокусировать лазерное излучение мощностью Р=1012 Вт на площади S=10-4 см2, то плотность эл.-магн. энергии P/cS в фокусе соответствует напряжённости поля H=(8pP/cS)1/2, т. е. =107 Э.

Начало использованию С. м. п. в физ. исследованиях было положено трудами П. Л. Капицы (в 1924—27 ему удалось получить в импульсном режиме поля до 320 кЭ). По мере совершенствования техники эксперимента С. м. п. всё шире используются как в фундам. науч. исследованиях, так и в технологии. В физике тв. тела С. м. п. применяются в исследованиях гальваномагнитных, термомагнитных, магнитооптич. и резонансных явлений. В магн. полях до 2 МЭ исследовались спектры поглощения и циклотронный резонанс в полупроводниках, Фарадея эффект в видимой и ИК областях спектра, зеемановское расщепление спектр. линий, магнетосопротивление тонких висмутовых проволок и др. В яд. физике и физике элем. ч-ц С. м. п. используют для идентификации ч-ц (см. ДЕТЕКТОРЫ ЯДЕРНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ), фокусировки и отклонения пучков заряж. ч-ц (см. УСКОРИТЕЛИ), для генерации мощного тормозного излучения и т. д. С. м. п. применяют для нагрева и удержания плазмы в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу, а также для получения низких температур (ниже 10-3 К) методом адиабатич. размагничивания парамагнитных солей.

Импульсные С. м. п.— источник для получения квазигидростатич. давлений до 1011 Па и высоких плотностей энергии. Напр., плотность энергии магн. поля =5—10 МЭ становится больше энергии связи ч-ц большинства тв. тел, а магн. давление достигает значений, существующих в центре Земли. Импульсные поля в диапазоне 0,5—0,8 МЭ применяют для обработки металлов давлением, напр. для магнитоимпульсной сварки металлов. Получение С. м. п. тесно связано с проблемой прочности материалов. Магн. давление (р=Н2/8p) поля напряжённостью 500 кЭ составляет =109 Па, что превышает статич. прочностные хар-ки большинства металлов. Высокая плотность энерговыделения в поверхностном слое материала катушки (соленоида, в к-ром получают С. м. п.) и громадные магн. давления приводят к сильному перегреву и пластич. течению поверхностного слоя, ударным волнам и сжатию материала катушки. Всё это ведёт к её разрушению. Поэтому выбор материалов и конструкции катушек — одна из проблем получения С. м. п. Др. проблема — источники тока большой мощности. Напряжённость поля Н0 в центре катушки с однородным коэфф. заполнения l связана с мощностью Р, рассеиваемой в катушке, соотношением

где l=V1/(V1+V0) (V1 — объём проводящей среды, V0— объём пр-ва в обмотке, незаполненной проводником), r0— внутр. радиус катушки, r — уд. сопротивление проводника, G — константа, характеризующая геометрию катушки. Чтобы получить, напр., поле H0=100 кЭ в медной катушке с r0=2 см при комнатной темп-ре, нужен источник тока мощностью ?2 МВт, а для поля .ff0=500 кЭ потребовалась бы мощность более 50 МВт. Отвод столь большого кол-ва теплоты, выделяющегося в относительно малом объёме проводника, технически труден. Для снятия избыточных тепловых нагрузок либо охлаждают катушки до криогенных темп-р, либо сокращают длительность импульса тока, т. е. переходят к импульсным магн. системам. При охлаждении медной обмотки до темп-ры жидкого азота (77 К) её уд. сопротивление уменьшается в 8 раз, а при охлаждении до темп-ры жидкого водорода (20 К) — в 1000 раз! Это приводит к резкому снижению тепловыделения в катушке, а также повышает механич. прочность обмотки. Комбинированные магн. системы, в к-рых используются криогенные и сверхпроводящие катушки (см. МАГНИТ СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ), позволяют получать рекордные при совр. уровне техники стационарные магн. поля до 500 кЭ. Мощность источников энергии для получения стационарных и квазистационарных С. м. п., как правило, составляет 2 —12 МВт.

Поля св. 500 кЭ получают практически только импульсными методами. Причём, чем сильнее поле, тем короче его длительность (рис. 1). При кратковрем. импульсах существенным становится скин-эффект: токи протекают по скин-слою на внутр. поверхности витков, плотность тока повышается. За короткое время импульса тока теплоотвод из скин-слоя пренебрежимо мал, и процесс нагрева происходит адиабатически.

Рис. 1. Зависимость напряжённости магн. поля от длительности импульса.

Темп-ра поверхности в этом случае

T=H2/8cV? »3000H2, (2)

где су — уд. теплоёмкость, у — плотность материала катушки, а Н выражается в МЭ. Из (2) следует, что в поле =1 МЭ поверхностный слой катушки, выполненной даже из тугоплавких металлов, начинает плавиться.

Для получения полей до =0,8 МЭ часто используют многовитковые однослойные катушки из прочного материала с высокой электропроводностью, напр. из бериллиевой или хромистой бронзы. Амер. физиком Ф. Биттером (1939) была предложена конструкция катушки, в к-рой металлич. диски с радиальными разрезами и изолирующие прокладки образуют при сборке двойную спираль (рис. 2). Охлаждающая вода прогонялась через перфорацию в дисках

Рис. 2. Конструкция катушки Биттера: 1 — охлаждающие отверстия; 2 — медные пластины: 3 — неизолированная поверхность контакта; 4 — изоляц. кольца; 5 — сечение катушки.

Перспективны катушки с «бессиловой» конфигурацией обмоток, в к-рых векторы плотности тока j и поля H располагаются не взаимно перпендикулярно, как это имеет место в обычных соленоидах, а должны быть параллельны. В этом случае пондеромоторные силы F=(j, H), приводящие к механич. напряжениям в витках, обращаются в нуль (для бесконечных систем). Для реальных (конечных) обмоток можно добиться существенного уменьшения действующих сил в одной части магнита, а др. его часть будет «удерживать» (обжимать) первую. Такие «бессиловые» конфигурации преобразуют высокое давление в малой области в низкое давление, распространённое на большую область. Существуют разл. «бессиловые» конфигурации; простейшая, позволяющая значительно снизить механич. напряжения, представляет собой обмотку, навитую на цилиндрический каркас под углом 45° к образующей цилиндра.

Одновитковые катушки, разрушающиеся при однократном использовании, явл. наиболее простой конструкцией для получения импульсных С. м. п. св. 1 МЭ. Они обладают малой собств. индуктивностью, поэтому для их питания применяют импульсные источники тока большой силы (батареи конденсаторов, рис. 3). Мощность батарей может превышать 1010 Вт, а генерируемые токи достигать неск. МА. При получении поля используются механич. и тепловая инерционность материала катушки, когда токовый слой не успевает существенно увеличить свои размеры до момента достижения током макс. значения. При разряде конденсаторных батарей с запасённой энергией 20— 800 кДж получают поля 1—3,5 МЭ в катушках с диаметром и длиной неск. мм. Время существования такого поля составляет 1—2 мкс.

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

В существенно больших объёмах С. м. п. можно получать сжатием магн. потока с использованием взрывчатых в-в (ВВ). Такие устройства наз. взрывомагнитными или магнитокумулятивными (МК-) генераторами (рис. 4,а). Начальный магн. поток в них создаётся при разряде конденсаторной батареи через нагрузочную катушку L и проходит через внеш. зазор А. При сжатии зазора, вызванного взрывом ВВ, магн. поток вытесняется из зазора в катушку, увеличивая в ней напряжённость поля. Таким методом получают поля напряжённостью =2,0 МЭ в объёмах до 1000 см3 при длительности импульса 1—5 мкс.

Рис. 4. Схематич. изображение методов получения сверхсильных импульсных магн. полей. а — МК-генератор плоского типа: 1 — ВВ, 2— детонатор, 3—фронт детонац. волны; б — цилиндрич. МК-генератор: Н0— нач. магн. поле, L — лайнер; в — сжатие магн. потока лайнером L, ускоряемым электродинамич. силами.

Рекордные импульсные магн. поля получены в системах, принципиальная схема к-рых дана на рис. 4, б. Начальный магн. поток создаётся внутри проводящей цилиндрич. оболочки (лайнера) L. Для создания нач. потока может быть использована либо конденсаторная батарея, либо МК-генератор типа изображённого на рис. 4, а; затем взрывом ВВ лайнер подвергается быстрому радиальному сжатию, при этом сжимается за хваченный магн. поток. Этим методом получены импульсные поля =10 МЭ с хорошим воспроизведением результатов.

Сжатие магн. потока, заключённого внутри цилиндрич. лайнера, может производиться также и электродинамич. силами, когда вместо ВВ используют давление внеш. магн. поля (рис. 4, в). Теоретически этот способ позволяет получать большие скорости радиального сжатия лайнера и, следовательно, большие поля, чем при взрыве ВВ. Практически в таких системах получают поля =2,8—3,1 МЭ. Измеряют С. м. п. прокалиброванными индукц. датчиками (магн. зондами), а также по величине Фарадея эффекта и Зеемана эффекта в С. м. п.