Полная магнитная система. Магнитные системы электрических аппаратов постоянного и переменного тока. Магниты специального назначения

Как и любое тело, сгусток элементарных частиц, предоставленный сам себе, будет двигаться прямолинейно и равномерно. Поэтому для того, чтобы удерживать его внутри ускорительного кольца, требуется постоянно воздействовать на пучок.

Удобнее всего это делать с помощью магнитного поля. Электрически заряженные частицы, пролетая сквозь область магнитного поля, поворачиваются в плоскости, перпендикулярной полю. Угол поворота зависит от силы поля и от импульса частиц. Благодаря этому можно конструировать магниты, которые будут выполнять самые разные задачи по управлению пучком: поворачивать, фокусировать или корректировать его орбиту (см. полный список магнитов для LHC).

Поворотные магниты

Поворотные магниты - это мощные электромагниты, стоящие вдоль всего ускорительного кольца и направляющие протонные пучки по узкой вакуумной трубе. Внутри трубы они создают магнитное поле перпендикулярно плоскости ускорительного кольца и с его помощью поворачивают пролетающие мимо протоны на небольшой угол.

Поворотные магниты создавались для LHC по уникальной технологии. Во-первых, из-за того, что надо поворачивать два встречных пучка протонов, пришлось делать не один, а два магнита с противоположными полярностями под единой оболочкой. Во-вторых, для того, чтобы минимизировать соединения между магнитами, их сделали очень длинными - длиной почти 15 метров. Подчеркнем, что провода наматывались вовсе не вокруг вакуумной трубы, а вдоль нее - именно так можно создать магнитное поле, перпендикулярное плоскости кольца.

Всего на LHC установлено 1232 таких магнитов. Это сверхпроводящие магниты, сделанные из низкотемпературного сверхпроводника ниобий–титан и рассчитанные на работу при температуре 1,9 К. Каждый из них может держать до 11 килоампер тока и создавать магнитное поле с индукцией 8,3 тесла - в сотню тысяч раз больше, чем магнитное поле Земли. Полная энергия, запасенная в одном магните, составляет примерно 10 МДж. Ниобий-титановые кабели состоят из множества тончайших волокон, в 10 раз тоньше человеческого волоса; полная длина всех волокон, созданных для LHC, превышает расстояние от Земли до Солнца. В течение нескольких лет на создание волокон для LHC уходило свыше четверти всего производимого в мире ниобий-титанового сплава.

К поворотным магнитам предъявляются очень строгие требования.

• Они должны создавать очень сильное магнитное поле: чем сильнее магнитное поле, чем более высокоэнергетические протоны можно удержать внутри кольца заданного радиуса. Сверхпроводящие дипольные магниты, использующиеся на LHC, создают магнитное поле вплоть до 8,2 тесла. Именно это число и определяет максимальную энергию протонов на LHC - 7 ТэВ.
• Магнитное поле должно быть очень однородным по всему сечению вакуумной трубы, иначе чуть отклонившиеся протоны уже начнут заворачиваться по слегка иному радиусу и «не впишутся» в вакуумную трубу (радиус вакуумной трубы составляет всего 5 см, а радиус кольца - 4 км!).
• Как и во всяком синхротроне, сила магнитного поля должна плавно подстраиваться под энергию протонов. Поэтому она должна быть легко управляема.
• Из-за того что используются сверхпроводящие электромагниты, необходимо принять меры безопасности, связанные с переходом из сверхпроводящего состояния в нормальное. В сверхпроводящем состоянии сильный ток циркулирует в обмотках электромагнита без затухания и не нагревает его. Однако если какой-то участок обмотки слегка нагрелся, например из-за попадания пучка протонов, то он перейдет в нормальное состояние, обретет ненулевое сопротивление, и на нём начнет выделяться тепло, которое быстро разрушит магнит.
  Чтобы этого избежать, дипольные магниты спроектированы таким образом, что, как только начинается локальное выделение тепла, сразу по всему магниту включаются «нагреватели», которые быстро переводят весь магнит целиком в нормальное состояние. В этом случае вся запасенная в магните энергия (7 мегаджоулей) выделяется не локально в магните, а сбрасывается на специальном демпфирующем резисторе и не приводит к каким-либо разрушениям. Этот процесс называется «гашением тока» (по-английски - «quench »); все магниты, установленные в LHC, проверялись на безопасное гашения тока. Авария, случившаяся на LHC 19 сентября 2008 года, при которой около 100 магнитов безопасно перешли в нормальное состояния с гашением тока, невольно послужила хорошей проверкой этой системы.

Фокусирующие магниты

Поскольку пучки состоят из положительно заряженных протонов, они стремятся разойтись в стороны из-за электрического отталкивания между протонами. Чтобы это предотвратить, пучки требуется фокусировать. Отчасти эту задачу выполняют поворотные магниты: в них поле устроено так, чтобы частицы, отклонившиеся от оптимальной траектории, возвращались к ней.

Однако перед точками столкновений очень важно сфокусировать пучки как можно лучше. Чем меньше поперечный «размер фокуса», тем больше вероятность столкновений протонов друг с другом, а значит, тем выше светимость ускорителя. Уменьшение поперечного размера пятна в 2 раза приводит к увеличению светимости в 16 раз (то есть один и тот же эксперимент можно вместо одного года провести за пару недель).

(2) резко включается и смещает пучок в канал с магнитным полем. В этом случае протонный пучок на выходе идет уже по другому пути. Он проходит через расфокусирующий магнит (3) и затем направляется в специальный зал, где он поглощается массивными блоками (4) . Рис. с сайта www.symmetrymagazine.org

Эта фокусировка пучков перед точками столкновений осуществляется «магнитными линзами» - фокусирующими квадрупольными магнитами. Эти магниты длиной свыше трех метров создают внутри вакуумной трубы перепад магнитного поля 223 тесла/метр. У квадрупольного магнита есть важное отличие от обычной оптической линзы - он может фокусировать пучок в вертикальной плоскости, дефокусируя его в горизонтальной, или наоборот. Поэтому для того, чтобы сфокусировать пучок в обоих направлениях, требуется использовать комбинацию из нескольких квадрупольных магнитов разного действия.

Магниты специального назначения

В месте инжекции протонов в кольцо LHC, а также в точке сброса пучка стоят специальные магниты - кикеры (англ. «kickers ») и септумы (англ. «septa », мн. ч. от «septum »). В ходе нормальной работы LHC эти магниты выключены, а включаются они только в тот момент, когда очередной сгусток протонов «впрыскивается» в LHC из предварительного ускорителя или когда пучок выводится из ускорителя.

Главная особенность этих магнитов в том, что они включаются очень быстро, примерно за 3 микросекунды - это намного меньше, чем время полного оборота пучка по LHC. Если, скажем, система слежения за пучком обнаружила, что он вышел из-под контроля и начинает задевать аппаратуру, то эти магниты включаются в точке 6 и быстро выводят пучок из ускорителя.

Дополнительная литература:

• Lyndon Evans, Philip Bryant. LHC Machine // Journal of Instrumentation , 3, S08001.

Электрические аппараты дистанционного управления

ЛЕКЦИЯ 3

Магнитные системы электрических аппаратов. Электромагниты. Электромагнитные реле. Электромагнитные контакторы и пускатели

Магнитная система является одним из основных элементов электротехнических устройств и электрических аппаратов. В магнитную систему входят источники магнитного поля (обмотка с током, возбуждающая магнитное поле, постоянный магнит) и система магнитопроводов из ферромагнитного материала, по которым замыкается магнитный поток.

Магнитные системы нашли широкое применение в аппаратостроении и как элемент привода аппаратов (электромагнитные контакторы, пускатели, реле, выключатели), и как устройство создающее силы, например, в электромагнитных муфтах и тормозных электромагнитах.

Конфигурация магнитной цепи электромагнитных устройств зависит от назначения аппарата и может быть самой разнообразной однородной и неоднородной, неразветвленной и разветвленной, симметричной и несимметричной.

Неразветвленной магнитной цепью называют цепь, через элементы которой замыкается один и тот же магнитный поток.

В разветвленной магнитной цепи содержаться ветви, в каждой из которых замыкаются свои магнитные потоки.

В однородной магнитной цепи, образованной замкнутым магнитопроводом, магнитный поток находится в однородной среде.

Неоднородной называют магнитную цепь, состоящую из участков, имеющих разные сечения, воздушные зазоры, ферромагнитные тела с различными магнитными свойствами.

Из курса физики известна способность вещества под воздействием напряженности внешнего магнитного поля Н создавать, собственное поле, называемое намагниченностью М , которая характеризуется магнитной восприимчивостью χ.

Вещества, имеющие высокое значение магнитной восприимчивости, называют ферромагнитными или магнитными. К ним относятся железо (Fe), кобальт (Со), никель (Ni), редкоземельные элементы: гадолиний (Gd), диспрозий (Dy) и др., а также сплавы на базе этих элементов.

Зависимость магнитной индукции В в веществе (материале) от напряженности магнитного поля Н носит нелинейный характер: по мере увеличения напряженности Н индукция В вначале резко возрастает, а затем приближаясь к области насыщения процесс намагничивания материала замедляется и прекращается, когда резервы ферромагнетика оказываются исчерпанным.

Если элемент магнитной цепи, например цилиндр из ферромагнитного материала, поместить в однородное магнитное поле, он намагничивается. Если после его намагничивания до состояния насыщения внешнее поле убрать (уменьшить до нуля), то цилиндр явится источником магнитного поля за счет намагниченности материала – остаточной намагниченности. Чтобы разрушить эту остаточную намагниченность, нужно создать внешнее поле, направленное противоположно полю, создаваемому цилиндром, для преодоления задерживающей, так называемой коэрцитивной силы Н с, которая стремится сохранить созданную микротоками намагниченность.