WARSZAWA LXI Zeszyt 265

WARSZAWA LXI Zeszyt 265

REDAKTOR NACZELNY: REDAKCJA dr hab. in. Wojciech Krajewski, prof. IEL tel.: 22 812 34 31, e-mail: w.krajewski@iel.waw.pl SEKRETARZ REDAKCJI: Magdalena Kami ska tel. 22 812 34 63, e-mail: m.kaminska@iel.waw.pl REDAKTOR J ZYKOWY: mgr Anna Arendt tel. 22 812 20 66, e-mail: a.arendt@iel.waw.pl Przewodnicz cy: prof. Marian Ka mierkowski Cz onkowie: prof. Kazimierz Adamiak prof. Hartmut Brauer prof. Ivo Doležel prof. Zenon Hotra prof. Bill Lionheart prof. Piotr E. Marsza ek prof. Boles aw Mazurek prof. Krystyn Pawluk prof. Henryk Sibilski prof. Josef Slama prof. Jan Soko owski prof. Jan Sikora prof. Kazimierz Zakrzewski RADA PROGRAMOWA Polska Akademia Nauk University of Western Ontario, Canada Ilmenau University of Technology, Germany Czech Technical University, Czech Republic Narodowy Uniwersytet Techniczny Lvivska Politechnika, Ukraina University of Manchester, United Kingdom Duke University, USA Instytut Elektrotechniki Instytut Elektrotechniki Instytut Elektrotechniki Slovak University of Technology, Slovakia Université de Lorraine, Campus des Aiguillettes, France Politechnika Lubelska Politechnika ódzka Redakcja techniczna: mgr Anna Arendt Wszystkie artyku y publikowane w Pracach Instytutu Elektrotechniki s recenzowane. Wersja drukowana jest wersj pierwotn czasopisma. Prace IEl indeksowane s w nast puj cych bazach: Inspec, Index Copernicus, BazTech oraz Google Scholar. Wszystkie informacje o czasopi mie, instrukcje oraz formularze dla autorów i recenzentów znajduj si na stronie www.iel.waw.pl w zak adce Wydawnictwa. A D R E S R E D A K C J I : Instytut Elektrotechniki Dzia Informacji Naukowej i Marketingu ul. Po aryskiego 28, 04-703 Warszawa tel.: 22 812-34-63; fax: 22 615-75-35; e-mail: m.kaminska@iel.waw.pl WSZELKIE PRAWA ZASTRZE ONE Copyright by Instytut Elektrotechniki

INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI Janusz KOZAK BADANIA ELEKTROMAGNESÓW NADPRZEWODNIKOWYCH W PROCESIE ICH WYTWARZANIA I EKSPLOATACJI Prace Instytutu Elektrotechniki zeszyt 265, 2014

OPINIOWALI: prof. dr Bart omiej A. G OWACKI prof. dr hab. in. Zbigniew KO ACI SKI Praca zrealizowana w ramach projektu badawczego N N510 709840 finansowanego ze rodków Narodowego Centrum Nauki

SPIS TRE CI STRESZCZENIE... 9 WYKAZ OZNACZE I SKRÓTÓW... 10 1. WPROWADZENIE... 11 1.1 Cel i teza pracy... 14 1.2 Zakres pracy... 14 1.3 Podstawowe poj cia nadprzewodnictwa... 15 2. NADPRZEWODNIKOWE PRZEWODY NAWOJOWE... 18 2.1 Przewody nadprzewodnikowe LTS... 18 2.2 Ta my nadprzewodnikowe HTS... 23 3. CH ODZENIE ELEKTROMAGNESÓW NADPRZEWODNIKOWYCH... 31 3.1 Ciecze kriogeniczne... 31 3.2 Ch odzenie bezpo rednie cieczami kriogenicznymi... 32 3.3 Ch odzenie w k pieli ciek ego azotu... 33 3.4 Ch odzenie kontaktowe... 34 4. BUDOWA ELEKTROMAGNESÓW NADPRZEWODNIKOWYCH... 37 4.1 Przepusty pr dowe... 37 4.2 Kriostat... 41 4.3 Uzwojenia nadprzewodnikowe... 43 4.4 Nagrzewanie uzwoje wskutek quenchu... 52 4.5 Detekcja quenchu elektromagnesu i uk ady wyprowadzania energii... 55 4.6 Zabezpieczenie elektromagnesów po czonych szeregowo... 56 5. ZASTOSOWANIE ELEKTROMAGNESÓW NADPRZEWODNIKOWYCH... 58 5.1 Elektromagnes nadprzewodnikowy z ciep ym otworem... 60 5.2 Elektromagnesy nadprzewodnikowe do separacji magnetycznej... 61 5.3 Elektromagnesy nadprzewodnikowe do magazynowania energii SMES... 62 5.4 Elektromagnesy nadprzewodnikowe akceleratorów... 63 5.5 Elektromagnesy nadprzewodnikowe do grzania indukcyjnego... 66 5.6 Elektromagnesy nadprzewodnikowe w NMR i MRI... 67 6. POMIARY I TESTY ELEKTROMAGNESÓW ZBUDOWANYCH Z NADPRZEWODNIKA NISKOTEMPERATUROWEGO... 69 6.1 Urz dzenia i aparatura do przeprowadzenia testów... 70 6.2 Pomiary obwodów w elektromagnesie... 72 6.3 Pomiary izolacji uzwoje elektromagnesów... 73 6.4 Metody i procedury testowania elektromagnesów... 73 6.5 Test zabezpiecze elektromagnesu... 75 6.6 Test i trening elektromagnesu... 79 6.7 Analiza sygna ów podczas quenchu... 80 6.8 Lokalizacja zwar w elektromagnesie nadprzewodnikowym... 83 6.9 Pomiary rezystancji kontaktów diod zabezpieczaj cych... 84 6.10 Test ko cowy obwodów elektromagnesu przed instalacj w tunelu LHC... 85 7. BADANIA I MONITOROWANIE PRACY ZAINSTALOWANYCH ELEKTROMAGNESÓW... 89 7.1 Pomiary ci g o ci obwodów i zabezpiecze zainstalowanych elektromagnesów... 92 7.2 Pomiary izolacji uzwoje zainstalowanych elektromagnesów... 93 7.3 Pomiary przepustów pr dowych... 93

8. 9. ELEKTROMAGNES ZBUDOWANY Z NADPRZEWODNIKA WYSOKOTEMPERATUROWEGO BSCCO 2223... 94 8.1 Projekt elektromagnesu nadprzewodnikowego z ta my HTS... 95 8.2 Budowa elektromagnesu nadprzewodnikowego z ta my HTS... 97 8.3 Model elektromagnesu w programie FLUX 3D... 97 8.4 Rozk ad indukcji magnetycznej w elektromagnesie... 99 8.5 Wyznaczenie parametrów pracy elektromagnesu... 100 METODA TESTOWANIA ELEKTROMAGNESU... 101 9.1 Pomiary elektryczne elektromagnesu... 101 9.2 Test elektromagnesu w temperaturze kriogenicznej... 102 10. PROGRAM STERUJ CY URZ DZENIAMI WCHODZ CYMI W SK AD STANOWISKA TESTOWEGO... 105 10.1 Komunikacja z miernikami... 105 10.2 Sterowanie zasilaczem... 108 10.3 Rejestracja danych kart pomiarow... 109 10.4 Detekcja quenchu i rejestracja danych... 113 11. TESTY ELEKTROMAGNESU HTS... 117 11.1 Pomiar rezystancji izolacji... 117 11.2 Pomiar rezystancji uzwoje i wyprowadze napi ciowych... 118 11.3 Pomiar ci g o ci obwodu elektromagnesu... 120 11.4 Zabezpieczenie elektromagnesu nadprzewodnikowego... 123 11.5 Zabezpieczenie urz dze pomiarowych... 124 11.6 Stanowisko pomiarowe... 126 11.7 Ch odzenie elektromagnesu... 126 11.8 Test elektromagnesu w zakresie temperatur kriogenicznych... 132 12. PODSUMOWANIE... 138 LITERATURA 140

CONTENTS ABSTRACT... 9 LIST OF SYMBOLS AND ACRONYMS... 10 1. INTRODUCTION... 11 1.1 Aim and thesis... 14 1.2 Scope of work... 14 1.3 Basic concepts of superconductivity... 15 2. SUPERCONDUCTING WIRES... 18 2.1 LTS wires... 18 2.2 HTS tapes... 23 3. COOLING OF SUPERCONDUCTING MAGNETS... 31 3.1 Cryogenic liquids... 31 3.2 Direct cooling... 32 3.3 Liquid nitrogen bath cooling... 33 3.4 Contact cooling... 34 4. SUPERCONDUCTING MAGNETS... 37 4.1 Curent Leads... 37 4.2 Cryostat... 41 4.3 Superconducting windings... 43 4.4 Heating of the coil after a quench... 52 4.5 Quench detection and external safety circuits... 55 4.6 Protection of a string of magnets.... 56 5. APPLICATIONS OF SUPERCONDUCTING MAGNETS... 58 5.1 A warm bore superconducting magnet... 60 5.2 Superconducting magnets for magnetic separation... 61 5.3 Superconducting magnetic energy storage SMES... 62 5.4 Superconducting magnets in accelerators... 63 5.5 Superconducting magnets for inductive heating... 66 5.6 NMR and MRI superconducting magnets... 67 6. TESTS OF SUPERCONDUCTING HTS MAGNETS MADE OF A LOW TEMPERATURE SUPERCONDUCTOR... 69 6.1 Testing devices and measurements equipment... 70 6.2 Measurements of magnet circuits... 72 6.3 Insulation measurements of magnets windings... 73 6.4 Testing methods and procedures for superconducting magnets... 73 6.5 Test of magnet protection system... 75 6.6 Test and training of superconducting magnets... 79 6.7 Quench analysis... 80 6.8 Faults localization in superconducting magnets... 83 6.9 Measurements of protection diodes contact resistances... 84 6.10 The final magnet circuits test prior to installation... 85 7. TESTING AND MONITORING OF INSTALLED SUPERCONDUCTING MAGNETS... 89 7.1 Continuity test of magnet and protection circuits of installed magnets... 92 7.2 Measurements of insulation on installed superconducting magnets windings... 93 7.3 Measurements of current leads... 93

8. THE HTS SUPERCONDUCTING MAGNET MADE OF BSCCO 2223... 94 8.1 Desing of the HTS superconducting magnet... 95 8.2 HTS superconducting magnet... 97 8.3 FLUX 3D model of the HTS superconducting magnet... 97 8.4 Magnetic flux distribution in the HTS superconducting magnet... 99 8.5 Determination of parameters of the HTS magnet... 100 9. TESTING METHOD FOR THE HTS MAGNET... 101 9.1 Electrical measurement of the HTS magnet... 101 9.2 A HTS magnet test at a cryogenics temperature... 102 10. SOFTWARE TO CONTROL DEVICES ON THE TEST STAND... 105 10.1 Communication with the measurements equipment... 105 10.2 Power supply control... 108 10.3 Data acquisition card... 109 10.4 Quench detection and data acquisition... 113 11. THE HTS MAGNET TEST... 117 11.1 Insulation measurements... 117 11.2 Measurements of windings resistances and voltage taps... 118 11.3 Continuity test of the HTS magnet... 120 11.4 Protection system of the HTS magnet... 123 11.5 Protection of measurement equipment... 124 11.6 Test stand... 126 11.7 Cooling of the HTS magnet... 126 11.8 Test of the HTS magnet over a wide range of cryogenic temperatures... 132 12. CONCLUSIONS... 138 REFERENCES... 140

STRESZCZENIE Elektromagnesy nadprzewodnikowe s urz dzeniami, które wytwarzaj silne pole magnetyczne przy niewielkich stratach energii. Wykorzystywane s w nowoczesnych urz dzeniach takich jak akcelerator cz stek LHC, tomografy MRI, separatory magnetyczne oraz zasobniki energii SMES. Elektromagnesy nadprzewodnikowe projektuje si z ma ym marginesem bezpiecze stwa ze wzgl du na wysokie koszty nadprzewodnika. Elektromagnes nadprzewodnikowy wymaga specjalnej konstrukcji ze wzgl du na du e si y dzia aj ce na uzwojenia i karkas oraz konieczno stosowania do jego budowy specjalnych materia ów do pracy w niskich temperaturach. Niewielkie przemieszczanie si uzwoje w wyniku dzia ania si podczas pracy powoduje wydzielanie si ciep a i mo e doprowadzi do quenchu niekontrolowanego przej cia nadprzewodnika ze stanu nadprzewodz cego do stanu rezystywnego. Awaria elektromagnesu nadprzewodnikowego zwi zana jest z jego d ugotrwa i kosztown napraw, dlatego nieodzowne jest testowanie elektromagnesów nadprzewodnikowych podczas ich wytwarzania i eksploatacji. W pracy omówiono g ówne zagadnienia dotycz ce budowy elektromagnesów nadprzewodnikowych, ch odzenia i testowania. Przedstawiono urz dzenia i aparatur do przeprowadzenia testów oraz metody i procedury bada elektromagnesów nadprzewodnikowych LTS. W pracy opisano zabezpieczenia elektromagnesów nadprzewodnikowych LTS oraz sposoby ich testowania. Przedstawiono tak e metody lokalizacji zwar i usterek oraz badanie i monitorowanie pracy zainstalowanych elektromagnesów nadprzewodnikowych. Przeprowadzono badania elektromagnesu HTS zbudowanego z nadprzewodnika wysokotemperaturowego. Elektromagnesy HTS w ostatnich latach s jeszcze w fazie studiów projektowych i konstrukcyjnych, a ich technologia wymaga intensywnych bada. Opracowanie metody testowania elektromagnesu nadprzewodnikowego HTS oraz programu w rodowisku LabView do sterowania urz dzeniami wchodz cymi w sk ad stanowiska testowego, rejestracji i analizy sygna ów, umo liwi o przeprowadzenie bada zgodnie z opracowan metod testowania. Wyznaczono parametry elektromagnesu nadprzewodnikowego oraz obszar jego stabilnej pracy w szerokim zakresie temperatur kriogenicznych. Uzyskane wyniki bada stanowi wk ad w techniki pomiarowe w temperaturach kriogenicznych, niezb dne podczas projektowania elektromagnesów nadprzewodnikowych. S owa kluczowe: elektromagnes nadprzewodnikowy, nadprzewodnictwo

WYKAZ OZNACZE I SKRÓTÓW B indukcja magnetyczna, T B C krytyczna indukcja magnetyczna, T B C2 górna krytyczna indukcja magnetyczna, T J g sto pr du, A/m 2 J C g sto pr du krytycznego, A/m 2 rezystywno, m C ciep o w a ciwe, J/(kg K) F L si a Lorentza, N indukcyjno wzajemna H nat enie pola magnetycznego, A/m H C1 nat enie dolnego krytycznego pola magnetycznego, A/m R Q rezystancja strefy rezystywnej, V S napi cie zasilania, V V Q napi cie strefy rezystywnej, V U max maksymalne napi cie na uzwojeniu, V R b rezystancja ga zi z diod zabezpieczaj c uzwojenie nadprzewodnikowe E energia, J L indukcyjno, H 1G pierwsza generacja 2G druga generacja AMSC AMerican SuperConductor LHC wielki zderzacz hadronów (Large Hadron Collider) LTS nadprzewodnik niskotemperaturowy (Low Temperature Superconductor) HTS nadprzewodnik wysokotemperaturowy (High Temperature Superconductor) Bi2223 nadprzewodnik Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 Bi2212 nadprzewodnik Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 YBCO nadprzewodnik YBa 2 Cu 3 O 7 MgB 2 nadprzewodnik dwuborek magnezu PIT technologia rurowo-proszkowa (Powder-In-Tube) CC przewód warstwowy YBCO drugiej generacji (Coated Conductor) CICC przewód kana owy ch odzony wewn trznie (Cable-In-Conduit Conductor) CERN Europejska Organizacja Bada J drowych w Genewie ITER Mi dzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termoj drowy (International Thermonuclear Experimental Reactor) SMES nadprzewodnikowy zasobnik energii (Superconducting Magnetic Energy Storage) SFCL nadprzewodnikowy ogranicznik pr du zwarciowego (Superconducting Fault Current Limiter) MRI tomografia oparta na magnetycznym rezonansie j drowym (Magnetic Resonance Imagining) NMR magnetyczny rezonans j drowy (Nuclear Magnetic Resonance) QH grza ka uzwojenia nadprzewodnikowego (Quench Heater) Quench niekontrolowane przej cie nadprzewodnika ze stanu nadprzewodz cego do stanu rezystywnego

Badania elektromagnesów nadprzewodnikowych w procesie ich wytwarzania i eksploatacji 11 1. WPROWADZENIE W ród najbardziej zaawansowanych technologicznie i aplikacyjnie silnopr dowych urz dze nadprzewodnikowych znajduj si elektromagnesy nadprzewodnikowe, które umo liwiaj uzyskanie pola magnetycznego o parametrach nieosi galnych przez elektromagnesy konwencjonalne. W ostatnich latach dost pno na rynku nowych przewodów i ta m I i II generacji z nadprzewodników wysokotemperaturowych, które mo na ch odzi ciek ym azotem, umo liwia konstruowanie ta szych urz dze nadprzewodnikowych. Elektromagnesy nadprzewodnikowe staj si coraz bardziej powszechne nie tylko w badaniach naukowych na wiecie, ale i w kraju. Silne pola magnetyczne wytwarzane przez elektromagnesy nadprzewodnikowe wykorzystywane s w nowoczesnych urz dzeniach, takich jak akcelerator cz stek LHC w CERN, tomografy oparte na zjawisku j drowego rezonansu magnetycznego wykorzystywane w medycynie, separatory magnetyczne stosowane w przemy le do usuwania zanieczyszcze magnetycznych. Elektromagnesy nadprzewodnikowe s równie elementami magazynuj cymi energi w zasobnikach energii. Uk ady zasobników energii zapewniaj bezprzerwowe zasilanie napi ciem o wymaganych parametrach przez kilka sekund, niezb dnych do w czenia innych rezerwowych róde energii. Wszystkie te urz dzenia do niezawodnej pracy wymagaj stabilnie pracuj cych elektromagnesów nadprzewodnikowych. Elektromagnesy nadprzewodnikowe pracuj w kriostatach z izolacj pró niow, gdzie wi kszo po cze to po czenia spawane. Demonta elektromagnesów jest skomplikowany i nie mo e by przeprowadzany wielokrotnie. Ka da awaria elektromagnesu nadprzewodnikowego zwi zana jest z jego d ugotrwa i kosztown napraw, warto elektromagnesu nadprzewodnikowego dipola LHC to oko o 1 mln CHF, a wymiana uszkodzonego uzwojenia nadprzewodnikowego to 15% jego warto ci, dlatego wa ne jest, aby przed zainstalowaniem w urz dzeniu wykona serie poprawnych testów. Odpowiednia procedura testowania i analiza wyników testów elektromagnesu nadprzewodnikowego oraz okre lenie jego parametrów zapewnia jego bezawaryjn eksploatacj. Elektromagnes nadprzewodnikowy jest urz dzaniem, które wytwarza silne pole magnetyczne. Du a g sto pr du w uzwojeniu nadprzewodnikowym o zerowej rezystancji umo liwia uzyskanie silnego pola magnetycznego przy niewielkich stratach energii. Elektromagnesy nadprzewodnikowe pracuj w temperaturach kriogenicznych, ich parametry maksymalne ogranicza powierzchnia krytyczna okre lona przez trzy parametry temperatur krytyczn, g sto pr du krytycznego i nat enie krytycznego pola magnetycznego. Przekroczenie jednego z tych parametrów powoduje natychmiastowe przej cie do stanu rezys-

12 J. Kozak tywnego (quench), co bez odpowiednich uk adów zabezpiecze i ekstrakcji energii powoduje uszkodzenie elektromagnesu. Elektromagnesy nadprzewodnikowe projektuje si z ma ym marginesem bezpiecze stwa ze wzgl du na wysokie koszty nadprzewodnika, z którego wykonane s uzwojenia. Elektromagnes nadprzewodnikowy wymaga specjalnej konstrukcji ze wzgl du na du e si y dzia aj ce na uzwojenia i karkas oraz konieczno stosowania do jego budowy specjalnych materia ów do pracy w niskich temperaturach. Niewielkie przemieszczanie si uzwoje w wyniku dzia ania si podczas pracy powoduje wydzielanie si ciep a i mo e doprowadzi do quenchu, dlatego elektromagnesy nadprzewodnikowe trenuje si, co stopniowo pozwala osi gn zamierzone parametry lub stwierdzi trwa degradacj ich parametrów. Idea budowy elektromagnesu nadprzewodnikowego pojawi a si zaraz po odkryciu nadprzewodnictwa przez Heike Kamerlingh Onnes w 1911 roku. Pierwszy elektromagnes nadprzewodnikowy zosta zbudowany przez George'a Yntema w 1954 roku, który u ywaj c drutu z niobu, osi gn indukcj magnetyczn 0,71 T w temperaturze 4,2 K. Zainteresowanie nadprzewodnictwem wzros o po odkryciu zalet stopu NbTi przez Kunzlera w 1961 roku. Obecnie najwi kszym projektem, w którym wykorzystuje si elektromagnesy nadprzewodnikowe, jest akcelerator cz stek LHC w CERN. W maszynie LHC dipole s elektromagnesami nadprzewodnikowymi wytwarzaj cymi silne pole magnetyczne o indukcji 8,33 T przy pr dzie znamionowym o nat eniu 11,850 ka. Uzwojenia elektromagnesów nadprzewodnikowych zbudowane z kabli Rutherforda (NbTi) ch odzone s nadciek ym helem o bardzo dobrej przewodno ci cieplnej i pracuj w temperaturze 1,9 K. W LHC zastosowano 9300 ró nych elektromagnesów, takich jak dipole, quadrupole, sextupole, octupole, decapole. Ka dy z tych elektromagnesów optymalizuje trajektori wi zki hadronów. Elektromagnesy korekcyjne s umieszczone w kriostatach g ównych elektromagnesów dipoli lub quadrupoli. Przed zamontowaniem w 27-kilometrowym tunelu akceleratora, ka dy z ponad 1700 g ównych elektromagnesów nadprzewodnikowych poddawany jest serii testów i pomiarów w warunkach zbli onych do rzeczywistych warunków pracy. Na stanowisku testowym wykonuje si szereg pomiarów elektrycznych przed i po testach mocy. Po sch odzeniu elektromagnesu wykonuje si testy wed ug specjalnych procedur celem uzyskania wymaganych indukcji magnetycznych. W przypadku g ównych elektromagnesów nadprzewodnikowych, przeprowadzane testy i badania maj na celu ich kwalifikacj i charakteryzacj wymaganych dla akceleratora parametrów jako ci pola magnetycznego. Badania nad utrat nadprzewodnictwa w elektromagnesach nadprzewodnikowych umo liwi y opracowanie procedur testowania niskotemperaturowych elektromagnesów nadprzewodnikowych dla potrzeb LHC. W trakcie

Badania elektromagnesów nadprzewodnikowych w procesie ich wytwarzania i eksploatacji 13 tych prac rozwini to szereg nowatorskich metod pomiarowych [90], [97], [153]. Analiza uzyskanych wyników [47], [73], [134] umo liwi a identyfikacj g ównych procesów odpowiedzialnych za niekontrolowane przej cie nadprzewodnika ze stanu nadprzewodz cego do stanu rezystywnego i przyczyni a si w znacz cy sposób do opracowania ostatecznej struktury g ównych elektromagnesów nadprzewodnikowych dla LHC. Badania procesu przej cia ze stanu nadprzewodz cego do stanu rezystywnego doprowadzi y równie do opracowania systemu zabezpieczenia elektromagnesów przed utrat nadprzewodnictwa [18], [150]. Rys. 1.1. Elektromagnes nadprzewodnikowy Dipol LHC w CERN [78], [86], [142] Odkrycie nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego przez Georga Bednorza i Karla Mullera w 1986 roku umo liwi o budowanie elektromagnesów ch odzonych ciek ym azotem zamiast ciek ym helem. Opracowanie w ostatnich latach ta m I i II generacji z nadprzewodników wysokotemperaturowych umo liwia budowanie elektromagnesów nadprzewodnikowych o bardzo dobrych parametrach, pracuj cych w znacznie wy szych temperaturach. W 2007 roku w National High Magnetic Field Laboratory w USA osi gni to indukcj magnetyczn B = 26,8 T za pomoc elektromagnesu wykonanego z nadprzewodnika wysokotemperaturowego YBCO, a w 2012 roku firma SuperPower zaprezen-

14 J. Kozak towa a uzwojenie z ta my HTS 2G, które w zewn trznym polu magnetycznym (B = 31 T) osi gn o indukcj B = 35,4 T [59]. 1.1 Cel i teza pracy Ze wzgl du na koszt materia ów do budowy elektromagnesu, projektuje si je do pracy z niewielkim marginesem bezpiecze stwa tak, aby maksymalnie wykorzysta drut lub ta m nadprzewodnikow do uzyskania wymaganej warto ci indukcji magnetycznej, dlatego te diagnostyka takiego elektromagnesu ma zasadnicze znaczenie dla jego pracy w warunkach znamionowych. Wyniki analizy testów elektromagnesu okre l, z jakimi parametrami dany elektromagnes mo e bezawaryjnie pracowa. Elektromagnesy wymagaj odpowiedniego systemu detekcji quenchu i zabezpiecze, aby energia zgromadzona w polu magnetycznym elektromagnesu nie zniszczy a uzwojenia nadprzewodnikowego. Wa ne jest opracowanie metod testowania elektromagnesów nadprzewodnikowych i ich zabezpiecze, szczególnie elektromagnesów wysokotemperaturowych, które w ostatnich latach s jeszcze w fazie studiów projektowych i konstrukcyjnych, a ich technologia wykonania wymaga jeszcze intensywnych bada. Cel pracy: Celem pracy jest przedstawienie metod testowania i zabezpieczania elektromagnesów nadprzewodnikowych, rozwi zanie problemu dotycz cego lokalizacji uszkodze w elektromagnesach nadprzewodnikowych, opracowanie metody badania elektromagnesu HTS zbudowanego z nadprzewodnika wysokotemperaturowego ch odzonego kontaktowo i zasilanego przez hybrydowe przepusty pr dowe, przeprowadzenie bada elektromagnesu HTS i wyznaczenie jego parametrów. Teza: Opracowana metoda badania elektromagnesu nadprzewodnikowego pozwala na wyznaczenie rzeczywistych parametrów pracy elektromagnesu HTS w szerokim zakresie temperatur kriogenicznych. 1.2 Zakres pracy W kolejnych rozdzia ach pracy przedstawiono realizacj postawionych celów. W rozdziale pierwszym opisano parametry krytyczne i podstawowe poj cia nadprzewodnictwa. Rozdzia drugi po wi cony jest opisowi przewodów nawojowych wykonanych z nadprzewodników niskotemperaturowych i wyso-

Badania elektromagnesów nadprzewodnikowych w procesie ich wytwarzania i eksploatacji 15 kotemperaturowych. W rozdziale trzecim opisano zagadnienie ch odzenia elektromagnesów nadprzewodnikowych. Rozdzia czwarty zawiera opis budowy elektromagnesów nadprzewodnikowych, przepustów pr dowych, kriostatu, uzwoje nadprzewodnikowych oraz zabezpiecze elektromagnesów. W rozdziale pi tym opisano zastosowania elektromagnesów nadprzewodnikowych w urz dzeniach takich jak separatory magnetyczne, uk ady do magazynowania energii, akceleratory cz stek, urz dzenia do grzania indukcyjnego oraz spektrometry NMR i tomografy MRI. Rozdzia szósty po wi cony jest pomiarom i testom elektromagnesów nadprzewodnikowych zbudowanych z nadprzewodnika niskotemperaturowego. Opisano aparatur do przeprowadzania testów oraz pomiary elektromagnesów nadprzewodnikowych. Przedstawiono metody oraz procedury testowania elektromagnesów nadprzewodnikowych oraz analiz sygna ów podczas quenchu. Opisano najcz stsze usterki elektromagnesów i sposoby ich lokalizacji. Opisano przeprowadzone testy ko cowe przed instalacj elektromagnesu. Rozdzia siódmy po wiecony jest badaniom zainstalowanych elektromagnesów. Wykonano pomiary obwodów i zabezpiecze elektromagnesów oraz pomiary rezystancji izolacji i przepustów pr dowych. W rozdziale ósmym opisano projekt i budow elektromagnesu wykonanego z nadprzewodnika wysokotemperaturowego. Opracowano model elektromagnesu nadprzewodnikowego w programie FLUX3D i wyznaczono rozk ady indukcji magnetycznej w elektromagnesie. Wyznaczono parametry pracy elektromagnesu nadprzewodnikowego. W rozdziale dziewi tym opracowano metod testowania elektromagnesu w temperaturze kriogenicznej. Rozdzia dziesi ty po wiecony jest programowi napisanemu w rodowisku LabView do sterowania urz dzeniami wchodz cymi w sk ad stanowiska testowego. Opisano komunikacj programu urz dzeniami pomiarowymi, sterowanie zasilaczem oraz detekcj quenchu i rejestracj danych. W rozdziale jedenastym opisano stanowisko pomiarowe, zabezpieczenia oraz przeprowadzone badania elektromagnesu nadprzewodnikowego zgodnie z opracowan metod w szerokim zakresie temperatur kriogenicznych. Wyznaczono parametry pracy elektromagnesu nadprzewodnikowego ch odzonego kontaktowo i zasilanego przez hybrydowe przepusty pr dowe. W podsumowaniu bada elektromagnesów nadprzewodnikowych przedstawiono wnioski ko cowe potwierdzaj ce zrealizowanie celów rozprawy i prawdziwo postawionej tezy. 1.3 Podstawowe poj cia nadprzewodnictwa Temperatura krytyczna Zwi zki oraz pierwiastki nadprzewodz ce posiadaj charakterystyczn temperatur przej cia ze stanu rezystywnego do stanu nadprzewodz cego,

16 J. Kozak zwan temperatur krytyczn T C. Poni ej temperatury krytycznej rezystywno materia u jest równa zero. Tak d ugo, jak nadprzewodnik jest ch odzony do bardzo niskiej temperatury, pary Coppera pozostaj nienaruszone dzi ki zredukowanemu ruchowi cz steczek. W wyniku ogrzewania nadprzewodnika, wibracje w sieci staj si bardziej gwa towne i rozrywaj pary Coppera, nadprzewodnictwo zanika. Nadprzewodniki wytwarzane z ró nych materia ów maj ró ne temperatury krytyczne [53]. Krytyczne pole magnetyczne Stan nadprzewodz cy jest stabilny w pewnym zakresie odpowiednich zmiennych. Zmienne te dla stanu nadprzewodz cego, to temperatura, indukcja magnetyczna oraz g sto pr du. Stan nadprzewodz cy zanika, je eli zewn trzne pole magnetyczne B przekroczy warto krytyczn B C ; wówczas nadprzewodnik staje si zwyk ym przewodnikiem. Na Rys. 1.2 przedstawione s wykresy fazowe dla nadprzewodnika I rodzaju. Rys. 1.2. Wykresy fazowe dla nadprzewodnika I rodzaju [152]: a) zale no indukcji magnetycznej od temperatury, b) zale no g sto ci pr du od temperatury Stan nadprzewodz cy zanika, gdy przez nadprzewodnik przep ywa pr d o zbyt du ym nat eniu, który wytworzy na jego powierzchni pole magnetyczne o nat eniu wi kszym lub równym krytycznemu. Istnieje wi c ograniczenie, co do maksymalnej g sto ci pr du w nadprzewodniku. G sto pr du krytycznego Przewód nadprzewodnikowy mo e przewodzi pr d o warto ci mniejszej od I C. W przypadku przekroczenia pr du krytycznego staje si zwyk ym przewodnikiem. Poniewa wewn trz przewodu nie ma pola elektrycznego, pr d mo- e p yn tylko przez cienk warstw powierzchniow o grubo ci. Ze wzgl du

Badania elektromagnesów nadprzewodnikowych w procesie ich wytwarzania i eksploatacji 17 na niejednorodny rozk ad pr du, lepiej jest rozwa y krytyczn g sto pr du J C. Pr d p yn cy przez okr g y przewód wytwarza na jego powierzchni pole B(r). B r I 0 (1.1) 2 r Je eli indukcja ta przekroczy warto krytyczn B C, nadprzewodnictwo zanika [23]. Bezstratne przewodzenie pr du w relatywnie cienkim drucie z materia u nadprzewodnikowego mo e by wykorzystane do przewodzenia du ych pr dów. Dla ka dego materia u nadprzewodnikowego istnieje maksymalna g sto pr du, powy ej której materia przestaje by nadprzewodnikiem, powraca do stanu rezystywnego, nawet je eli jego temperatura jest nadal ni sza od temperatury krytycznej. Warto g sto ci pr du krytycznego jest funkcj temperatury; w ni szej temperaturze nadprzewodnik mo e przewodzi wi kszy pr d [53]. Quench Quench, czyli niekontrolowane przej cie nadprzewodnika ze stanu nadprzewodz cego do stanu rezystywnego, nast puje w wyniku przekroczenia parametru krytycznego. Rys. 1.3. Wykres fazowy nadprzewodnika II rodzaju [23], [152]

18 J. Kozak Stan nadprzewodz cy jest okre lony przez trzy parametry: temperatur krytyczn T C, krytyczne pole magnetyczne B C2 i g sto pr du krytycznego J C. Ka dy z tych parametrów jest zale ny od pozosta ych. Utrzymanie stanu nadprzewodz cego wymaga pozostania poni ej warto ci krytycznych wszystkich trzech parametrów. Wykres fazowy (Rys. 1.3) przedstawia zale no ci pomi dzy T C, B C2 i J C, tworz c powierzchni krytyczn. Od powierzchni do rodka uk adu wspó rz dnych materia znajduje si w stanie nadprzewodz cym, od powierzchni na zewn trz jest zwyk ym przewodnikiem. Przep yw pr du o g sto ci wi kszej od krytycznej przez materia b d cy w stanie mieszanym zwi zany jest z przemieszczaniem si linii strumienia magnetycznego poza miejsca zakotwiczenia. W wi kszo ci zastosowa praktycznych, nadprzewodnik musi przewodzi du e pr dy w du ym polu magnetycznym bez przechodzenia do stanu rezystywnego. 2. NADPRZEWODNIKOWE PRZEWODY NAWOJOWE 2.1 Przewody nadprzewodnikowe LTS Przewody NbTi Przez ponad 40 lat w urz dzeniach nadprzewodnikowych stosowane by y prawie wy cznie przewody NbTi (indukcja krytyczna 11 T w temperaturze 4,2 K i 14 T w temperaturze 2 K). Odkryty w 1961 roku stop niobu i tytanu jest bardzo plastyczny i atwo obrabialny w po czeniu z miedzi. Konstruowane pocz tkowo elektromagnesy z NbTi przedwcze nie wychodzi y ze stanu nadprzewodnictwa i nie wytwarza y silnych pól magnetycznych. Dopiero przewody wielow ókowe produkowane pod koniec lat sze dziesi tych oraz skr cenie y w kablu opracowanym przez Rutherford Laboratory umo liwi o budow elektromagnesów wytwarzaj cych silne pola magnetyczne. Dopracowanie technologii produkcji przewodów NbTi w latach osiemdziesi tych umo liwi o budow pierwszego akceleratora nadprzewodnikowego Tevatron w 1983 roku oraz urz dze MRI. Wielow ókowe przewody na bazie NbTi s wytwarzane w trzech g ównych etapach: (1) produkcji wlewki NbTi, (2) z o enia, wyt aczania i ci gnienia pojedynczych wlewek i (3) z o enia, wyt aczania i ci gnienia wielow óknowych

Badania elektromagnesów nadprzewodnikowych w procesie ich wytwarzania i eksploatacji 19 pr tów. Po przetopieniu NbTi cylindryczne wlewki s poddawane obróbce termicznej i kute kilkukrotnie, aby zredukowa rozmiar ziaren. Po w o eniu wlewki do miedzianej rury jest ona zaspawana z obu stron; tak powsta y walec jest wyciskany i ci gniony w kilku etapach procesu. Uzyskany sze ciok tny pr t jest ci ty na ma e kawa ki [45]. Wielow óknowy pr t wykonany jest z wcze niej poci tych kawa ków umieszczonych w miedzianej rurze; ilo pr tów w rurze decyduje o ilo ci w ókien w przewodzie. Podobnie jak poprzednio tak powsta y pr t poddawany jest wyciskaniu i ci gnieniu kilkukrotnie w tym przypadku ci gnienie przebiega naprzemiennie z obróbk termiczn w ró nych temperaturach. Najwi ksze ilo ci przewodów NbTi s produkowane na potrzeby elektromagnesów do MRI. Przewody zoptymalizowane do pracy w niskich polach (0,5-4 T) przy 4,2 K o rednicy od 0,5 mm do 2 mm zawieraj od 10 do 100 w ókien o du ej rednicy do 100 m, umieszczonych w matrycy miedzianej ze stosunkiem Cu/NbTi od 1 do 10 (Rys. 2.1b) [89]. Druty NbTi s równie wykorzystywane do produkcji kabli u ywanych w elektromagnesach akceleratorów. W projekcie LHC w CERN dipole i quadrupole zbudowane s z kabli Rutherforda wykonanych z dwóch typów drutów Cu/NbTi. Druty do LHC s zoptymalizowane do pracy w temperaturze 1,9 K i w silnym polu magnetycznym powy ej 8 T. Przewody te pokryte s dodatkowo warstw Sn-5 wt% Ag o grubo ci 1 m, aby zapewni odpowiedni rezystancj pomi dzy drutami w kablu oraz dobr wymian ciep a do nadciek ego helu [137]. Rys. 2.1. Przekrój przewodów NbTi: a) wysokiej jako ci przewód wyprodukowany przez dwukrotne z o enie w ókien NbTi w matrycy miedzianej, b) 24 w ókna NbTi w matrycy miedzianej do zastosowa w MRI (Alstom/MSA) [45], [137]

20 J. Kozak TABELA 2.1 Parametry przewodów u ywanych w projekcie LHC w CERN [21], [100] Typ 01 02 rednica (mm) 1,0650 ± 0,0025 0,8250 ± 0,0025 Cu/NbTi stosunek powierzchni 1,60-1,70 1,90-2,00 rednica w ókna ( m) 7,0 ± 0,1 6,0 ± 0,1 Liczba w ókien (8700-8900) ± 20 (6300-6500) ± 20 Skok skr cenia (mm) 18,0 ± 1,5 15,0 ± 1,5 I C (A) 515 (1,9 K i 10 T) 380 (1,9 K i 9 T) J C (A/mm 2 ) 1550-1650 (4,2 K i 7 T) 2300 (4,2 K i 6 T) RRR (Residua Resistivity Ratio) 150 150 Ilo (tona) 474 736 Przewody Nb 3 Sn Z powodu krucho ci i amliwo ci, Nb 3 Sn nie mo e by wyciskane i ci gnione jak NbTi. Alternatyw jest z o enie wielow óknowego pr ta z niezwi zanych prekursorów Nb 3 Sn, które s lepiej obrabialne; wyciskanie i ci gnienie tak powsta ego pr ta do osi gni cia danej rednicy, nawini cie uzwojenia i obróbka ko cowa kabla b d uzwojenia metod In-situ po wszystkich transformacjach mechanicznych w celu uzyskania zwi zku Nb 3 Sn. Nast pnie zwi zek (CuSn/Nb) podgrzewany jest do temperatury ~700 C, atomy Sn dyfunduj od br zu do niobu i reaguj z atomami Nb, tworz c zwi zek Nb 3 Sn. Proces ten jest powolny i trwa kilkaset godzin. Rys. 2.2. Przewód wykonany z w ókien niobowych w matrycy z br zu zaprojektowanej do obróbki termicznej w celu uzyskania zwi zku Nb 3 Sn metod The bronze process : a) z zewn trzn antydyfuzyjn barier i pow ok Cu, b) z wewn trzn antydyfuzyjn barier i rdzeniem Cu (Vacuumschmelze) [45]

Badania elektromagnesów nadprzewodnikowych w procesie ich wytwarzania i eksploatacji 21 Na skal przemys ow stosowane s cztery g ówne procesy wytwarzania Nb3Sn: The bronze process, The internal-tin process, Modified Jelly Roll (MJR), oraz Powder-in-Tube (PIT). Wybór odpowiedniego procesu zale y od zastosowania drutu. Wszystkie te procesy wykorzystuj obróbk termiczn w cz ciowej pró ni lub os onie argonu czy te azotu po ostatecznym ukszta towaniu uzwojenia [155]. W tabeli przedstawione zosta y podstawowe parametry drutów wyprodukowanych na potrzeby programu ITER. Druty te s pokryte warstw chromu 2 m, a nast pnie formowane w kabel. TABELA 2.2 Parametry drutów wyprodukowanych na potrzeby projektu ITER [45] Typ HPI HPII rednica (mm) 0,81 ± 0,003 0,81 ± 0,003 Cu/Nb3Sn 1,5 ± 0,1 1,5 ± 0,1 Skok skr cenia (mm) 10 10 J C (A/mm 2 ) >700 przy 4,2 K i 12 T >550 przy 4,2 K i 12 T Straty histerezowe (mj/cm 3 ) <600 for ±3 T cycle <200 for ±3 T cycle RRR Residua Resistivity Ratio 100 100 Ilo (tona) ~8 ~20 Kable LTS Ma e elektromagnesy nawijane s przewa nie pojedynczym okr g ym lub prostok tnym przewodem wielow óknowym. Wi ksze elektromagnesy zazwyczaj wykorzystuj wielo y owe kable. W akceleratorach elektromagnesy musz wytwarza jednakowe pole magnetyczne (zasilane takim samym pr dem). Najprostszym sposobem jest czenie elektromagnesów szeregowo. Wprowadzanie pr du do szeregowo po czonych elektromagnesów o du ej indukcyjno ci wymaga stosowania zasilacza wysokiego napi cia, dlatego indukcyjno elektromagnesów powinna by ma a. Wymaga to stosowania 30-50 równolegle po czonych przewodów nadprzewodnikowych i zasilacza o wydajno ci pr dowej ~10 ka. Zerowa rezystancja przewodów utrudnia równomierny rozp yw pr dów w przewodach nadprzewodnikowych. Kabel Rutherford zapewnia równomierny rozp yw pr dów w przewodach przez identyczne przestawienie przewodów miejscami wzd u kabla. Stosowanie wielo y owych kabli redukuje liczb zwojów i u atwia nawijanie, umo liwia rozp yw pr dów pomi dzy y ami w przypadku defektów lub kiedy quench wyst pi w jednej z y, obni a indukcyjno uzwojenia N 2 razy w stosunku do uzwojenia nawini tego pojedynczym przewodem, co znacznie redukuje wymagania w stosunku do zasilacza i przyspiesza wprowadzanie pr du do uzwojenia. Dodatkowo przyspiesza roz adowanie uzwojenia i ogra-

22 J. Kozak nicza przepi cia w przypadku quenchu. G ówn wad stosowania kabli jest konieczno stosowania zasilaczy o bardzo du ej wydajno ci pr dowej i odpowiednich przepustów. Rys. 2.3 przedstawia dwie g ównie stosowane konfiguracje y w kablu: okr g y rope type (a) i p aski, prostok tny lub trapezowy, Rutherford-type (b). W obu przypadkach y y s poskr cane, aby zapobiec nierównomierno ci w rozp ywie pr du oraz ograniczy mi dzy y owe sprz - enia podczas wprowadzania pr du. Rys. 2.3. Najcz ciej stosowane typy kabli LTS: a) Rope-type, b) Rutherford-type [46], c) kabel Rutherford NbTi firmy Outokumpu [114] Te dwie konfiguracje mog by wykonane w kilku etapach; w ka dym etapie y y s skr cane z innym skokiem, dodatkowo kabel mo e by wzmocniony mechanicznie (wewn trznie lub zewn trznie), aby unikn zniszczenia na wypadek przej cia do stanu rezystywnego. Mo e zosta wyposa ony równie w kana do ch odzenia ciek ym helem [45]. Kabel typu Rutherford wykonany z kilkudziesi ciu y przeplatanych ze sob i uformowanych w dwie warstwy zosta opracowany na pocz tku lat 70. w Rutherford Appleton Laboratory (RAL), UK [156] i jest g ównie u ywany w dipolach i quadrupolach akceleratorów cz stek [46], [88], [160]. Rys. 2.4. Przyk adowa maszyna do produkcji kabli Rutherford [45], [100]

Badania elektromagnesów nadprzewodnikowych w procesie ich wytwarzania i eksploatacji 23 Rys. 2.4 przedstawia maszyn do produkcji kabli Rutherford. Na wielkim obrotowym b bnie umieszczone s szpule z drutem nadprzewodnikowym; y y s skr cane na trzpieniu, nast pnie przechodz przez ci gad o rolkowe zbudowane z czterech rolek ustawionych tak, aby uzyska odpowiedni kszta tu trapezu. Walcarka zgniata kabel formuj c ostateczny kszta t. TABELA 2.3 Parametry kabli stosowanych w LHC [21], [100] Typ 01 02 Liczba y 28 36 Szeroko (mm) 15,10 15,10 Grubo (mm) 1,900 ± 0,006 1,480 ± 0,006 K t trapezowy ( ) 1,25 ± 0,05 0,90 ± 0,05 Skok przeplotu (mm) 115 ± 5 100 ± 5 I C (A) 13750 A przy 1,9 K i 10 T 12960 A przy 1,9 K i 9 T R C ( ) 15-20 30-40 D ugo jednostkowa (m) 460 750 Ilo (km) 2370 4600 2.2 Ta my nadprzewodnikowe HTS Ta my nadprzewodnikowe HTS pierwszej generacji W 1989 roku Heine i inni [60] w firmie Vacuumschmelze umie cili ostatnio odkryty materia Bi-Sr-Ca-Cu-O w rurze ze srebra i odkryli, e po stopieniu proszku otrzymali przewód o g sto ci pr du krytycznego J C ponad 100 A/mm2 (4,2 K, 25 T). Du a g sto pr du w polikrystalicznym przewodzie Bi2Sr2CaCu2O8 (2212) by a pierwszym dowodem, e przewody HTS mog by produkowane w formie u ytecznej w wielu zastosowaniach [95] [11]. Obecnie przewody HTS (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3O10 produkowane s w odcinkach o d ugo ci kilometra i pr dzie krytycznym 200 A (77 K w polu w asnym). Przewody pierwszej generacji 1G (First Generation) produkowane s w postaci gi tkich wielow óknowych ta m w srebrnej matrycy. Przewody HTS 1G znalaz y zastosowanie w kablach nadprzewodnikowych, nadprzewodnikowych przepustach pr dowych, nadprzewodnikowych maszynach elektrycznych i elektromagnesach nadprzewodnikowych [139]. Ta my nadprzewodnikowe pierwszej generacji maj budow kompozytow. Ta ma sk ada si z w ókien nadprzewodnika wysokotemperaturowego Bi-2223 lub Bi-2212 umieszczonych wewn trz srebrnej matrycy.

24 J. Kozak Rys. 2.5. Proces produkcji wielow óknowego przewodu kompozytowego 1G [106] Ta my nadprzewodnikowe pierwszej generacji wytwarzane s w procesie rurowo-proszkowym. Prekursor materia u nadprzewodnikowego w postaci proszku umieszczany jest w rurze srebrnej (matrycy), nast pnie rura z proszkiem poddawana jest ci gnieniu w celu zmniejszenia jej rednicy. Wi zki tak przygotowanych rur z proszkiem nadprzewodnikowym umieszczane s w rurze ze srebra o wi kszej rednicy i poddawane ci gnieniu (Rys. 2.5) a do otrzymania przewodu o odpowiedniej rednicy i liczbie w ókien. W nast pnym etapie produkcji rury s walcowane, aby nada im p aski kszta t. Po zako czeniu obróbki mechanicznej przewód poddawany jest obróbce termicznej [139]. Ta my HTS 1G produkowane przez firm Sumitomo Electric s podzielone w zale no ci od zastosowania na kilka typów (Tabela 2.4). TABELA 2.4 Parametry ta m HTS 1G DI-BSCCO produkcji Sumitomo [117] Ta my HTS 1G (DI-BSCCO) Typ H Typ HT-SS Typ HT-CA Typ AC Typ G Grubo, mm 0,23 0,3 0,36 0,31 0,23 Szeroko, mm 4,3 ± 0,3 4,5 ± 0,3 4,5 ± 0,3 2,8 ± 0,3 4,3 ± 0,3 Min. rednica gi cia, mm 70 60 60 40 110 Maks. napr enia (77 K), MPa 130 270 250 270 90 Pr d krytyczny I c (77 K), A 170-200 170-200 170-200 60-70 170-200 Materia matrycy Ag Ag Ag Ag AgAu5,4wt% Materia pow oki zewn. Stal nierdzewna (20 µm) Cu (50 µm) Cu (50 µm) Oferowane d ugo ci, m 1500 500 500 Ta my nadprzewodnikowe DI-BSCCO s wielow óknowymi ta mami z nadprzewodnika Bi-2223 (T C = 110 K) w matrycy ze srebra (Rys. 2.6). Ta my oferowane s na pr dy krytyczne do 200 A. Ta ma typu HT jest konstrukcj wzmocnion mechaniczne dzi ki dwustronnemu pokryciu warstw stali nierdzewnej lub miedzi; dodatkowo ta ma jest uszczelniona obustronnie lutem w celu ograniczenia wnikania cieczy kriogenicznej do wn trza ta my. Parametry

Badania elektromagnesów nadprzewodnikowych w procesie ich wytwarzania i eksploatacji 25 ta my nadprzewodnikowej w zewn trznym polu magnetycznym przedstawiono na Rys. 2.7. Rys. 2.6. Przekrój poprzeczny ta my nadprzewodnikowej HTS 1G DI-BSCCO produkcji Sumitomo [117] Rys. 2.7. Parametry ta my HTS Bi-2223 Sumitomo Electric w zewn trznym polu magnetycznym [117] Rys. 2.8. Straty przemiennopr dowe dla ta m typu H i AC firmy Sumitomo dla równoleg ego do ta my zewn trznego pola magnetycznego przy cz stotliwo ci: a) 50 Hz, b) 1 Hz [117]

26 J. Kozak W skie ta my typu AC, w których poszczególne w ókna nadprzewodnikowe s odizolowane od siebie i skr cone, charakteryzuj si znacznie mniejszymi stratami przemiennopr dowymi w porównaniu z ta mami typu H (Rys. 2.8). W ta mie typu G do zastosowa w przepustach pr dowych zastosowano matryce ze stopu AgAu, dzi ki czemu uzyskano bardzo ma przewodno ciepln, której warto maleje wraz ze spadkiem temperatury (Rys. 2.9a). Ta my nadprzewodnikowe dost pne s odcinkach do 1500 m (Rys. 2.9b) [117]. Rys. 2.9: a) przewodno cieplna ta m typu H, HT-CA, HT-SS i G w funkcji temperatury, b) rolka 1500 m ta my DI-BSCCO firmy Sumitomo [117] Ta my nadprzewodnikowe HTS drugiej generacji Ta my nadprzewodnikowe drugiej generacji HTS 2G ró ni si budow od ta m pierwszej generacji. Ta my nadprzewodnikowe drugiej generacji, bazuj ce na nadprzewodniku wysokotemperaturowym YBCO [4], [106], [108], [119], [148], s wykonane w technologii cienkowarstwowej (Rys. 2.10). Ta my 2G sk adaj si z kilku warstw: pod o a, warstw buforowych, warstwy nadprzewodnika oraz stabilizatora (srebro). Ta my s równie laminowane stal nierdzewn, miedzi lub br zem [161]. W procesie produkcji ta m nadprzewodnikowych 2G, na pod o e metalowe nanoszone s warstwy buforowe, a nast pnie warstwa odpowiedniego prekursora nadprzewodnika, z którego po obróbce cieplnej w atmosferze tlenowej tworzy si nadprzewodnik (Rys. 2.10). Poszczególne warstwy nanoszone s na pod o e w procesie fizycznego (PVD) lub chemicznego (CVD) osadzania pró niowego lub w procesie osadzania metaloorganicznego (MOD). Na warstw nadprzewodnika nanoszona jest warstwa srebra, a nast pnie ta ma jest ci ta na w sze ta my oraz laminowana w zale no ci od typu ta my.

Badania elektromagnesów nadprzewodnikowych w procesie ich wytwarzania i eksploatacji 27 Rys. 2.10. Proces produkcji ta my nadprzewodnikowej drugiej generacji [106] Rys. 2.11. Struktura ta my nadprzewodnikowej HTS 2G produkcji American Superconductor [143] Firma American Superconductor produkuje ta m Brass Laminated Amperium Wire laminowan br zem, przeznaczon do zastosowania w kablach nadprzewodnikowych na pr d sta y i przemienny [102]. Ta ma Copper Laminated Amperium Wire laminowana miedzi przeznaczona jest do budowy generatorów, silników elektrycznych i elektromagnesów [103]. Ta ma Stainless Steel Laminated Amperium Wire laminowana stal przeznaczona jest do zastosowania w nadprzewodnikowych ogranicznikach pr du [105]. W ta mach 2G firmy AMSC warstw pod o a stanowi stop Ni-5%W [106]. Rys. 2.12. Przekrój ta my nadprzewodnikowej drugiej generacji firmy American Superconductor [143]

28 J. Kozak TABELA 2.5 Parametry ta m HTS 2G produkcji American Superconductor [102], [103], [105] Ta my HTS 2G (YBCO) Brass Laminated Amperium Wire Copper Laminated Amperium Wire Stainless Steel Laminated Amperium Wire Grubo, mm 0,36-0,44 0,18-0,22 0,18-0,22 0,22-0,28 Szeroko, mm 4,24-4,55 4,7-4,95 11,9-12,3 11,9-12,3 Min. rednica gi cia, mm 35 30 30 70 Maks. napr enia (77 K), MPa 200 150 150 200 Pr d krytyczny I c (77 K), A 70-100 40-100 175-250 200-250 Materia pod o a Materia pow oki zewn. Ni-5%W (75 m) Br z Ni-5%W (75 m) Cu155 (50 m) Ni-5%W (75 m) Cu155 (50 m) Ni-5%W (75 m) Stal nierdzewna 316L (25 m) Firma SuperPower Inc. produkuje dwa rodzaje ta my nadprzewodnikowej drugiej generacji: ze stabilizatorem miedzianym (seria SCS) oraz bez stabilizatora (seria SF). SuperPower stosuje na pod o e do swoich przewodów niemagnetyczny stop Hastelloy C276 (Ni-57%, Mo-16%, Cr-15,50%, Fe-5,50%, W-4,00%, Co-2,50%) [91]. Materia nadprzewodnikowy w ta mach SuperPower to YBCO o grubo ci 1 m. Na warstwie nadprzewodnika naniesiona jest warstwa srebra o grubo ci oko o 2 m. Ta ma nadprzewodnikowa typu SCS jest dodatkowo pokryta 20 m warstw miedzi (Rys. 2.13). Rys. 2.14a przedstawia przekrój poprzeczny ta my nadprzewodnikowej typu SCS 4050 firmy Super- Power [94], [119]. Rys. 2.13. Struktura ta my nadprzewodnikowej HTS 2G (SCS4050) firmy SuperPower [118]

Badania elektromagnesów nadprzewodnikowych w procesie ich wytwarzania i eksploatacji 29 Ta ma SCS4050 przeznaczona jest do budowy kabli nadprzewodnikowych. Ta my SF12050 oraz SF12100 s specjalnie zaprojektowane do zastosowania w nadprzewodnikowych ogranicznikach pr du, maj warstw pod o a wykonan z niemagnetycznego materia u o du ej rezystywno ci. Do wykonania uzwoje elektromagnesów, silników, generatorów i transformatorów firma SuperPower produkuje ta my SCS laminowane miedzi (Tabela 2.6). Rys. 2.14: a) przekrój poprzeczny ta my typu SCS, b) rolka ta my SF12050 drugiej generacji produkowana przez firm SuperPower [92], [119] TABELA 2.6 Parametry ta m HTS 2G firmy Superpower [118] Ta ma HTS 2G Grubo, mm Szeroko, mm Min. rednica gi cia, mm Maks. napr enia (77 K), MPa Pr d krytyczny I c (77 K), A Materia pod o a Materia pow oki zewn. SCS 3050 SF 4050 SCS 4050 SF 6050 SCS 6050 SF 12050 SCS 12050 SF 12100 0,1 0,055 0,1 0,055 0,1 0,055 0,1 0,105 3 4 4 6 6 12 12 12 11 11 11 11 11 11 11 25 >550 >550 >550 >550 75 100 100 150 150 300 300 300 C276 (50µm) Cu (40µm) C276 (50µm) C276 (50µm) Cu (40µm) C276 (50µm) C276 (50µm) Cu (40µm) C276 (50µm) C276 (50µm) Cu (40µm) C276 (100µm)

30 J. Kozak Rys. 2.15. Zale no indukcji magnetycznej od temperatury dla nadprzewodników NbTi, Nb 3 Sn, Bi-2223, MgB 2 oraz YBCO [146] Ta my drugiej generacji mog pracowa w silniejszym polu magnetycznym ni ta my pierwszej generacji, mog równie pracowa w wy szej temperaturze przy tej samej warto ci indukcji magnetycznej. Wykres fazowy B = f(t) dla nadprzewodników NbTi, Nb3Sn, Bi-2223, MgB2 oraz YBCO przedstawiony jest na Rys. 2.15. Ich bardzo ró ne wykresy fazowe wynikaj z ich wyra nie innych struktur i parametrów fizycznych. Ta my MgB2 Odkrycie w 2001 roku nadprzewodnictwa w znanym od dawna zwi zku MgB2 (39 K) spowodowa o nag y wzrost zainteresowania zastosowaniem tego taniego materia u do produkcji przewodów nadprzewodnikowych [54], [55], [129]. Firma Columbus produkuje obecnie ró ne rodzaje przewodów o d ugo ciach od 1 km do 5 km metod PIT (Powder-in-Tube) i w procesie ex-situ. Przewody p askie zapewniaj mniejszy promie gi cia, przewody okr g e i kwadratowe maj lepsze w a ciwo ci w silnych polach magnetycznych. Produkowane s przewody do zastosowa sta opr dowych i przemiennopr dowych. Mied u ywana w przewodach jako stabilizator na wypadek utraty nadprzewodnictwa nie jest w bezpo rednim kontakcie z w óknami MgB2. Columbus oferuje tak e przewody do ró nych zastosowa niezawieraj ce miedzi. Przewody s w matrycy z niklu, monelu lub innych magnetycznych i niemagnetycznych materia ów (Rys. 2.16). Przewody MgB2 ch odzone poni ej 25 K s alternatywa dla przewodów LTS i BSCCO u ywanych w urz dzeniach ch odzonych poni ej 25 K i znajduj zastosowanie w urz dzeniach NMR i MRI. PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, ZESZYT 265, 2014

Badania elektromagnesów nadprzewodnikowych w procesie ich wytwarzania i eksploatacji 31 Rys. 2.16. Przekroje ta m MgB2 firmy Columbus: a) ta ma przeznaczona do budowy kabli nadprzewodnikowych zawiera 19 w ókien w matrycy Monel, b) ta ma przeznaczona do budowy kabli nadprzewodnikowych zawiera 91 w ókien w matrycy Monel, c) ta ma do zastosowa w nadprzewodnikowych ogranicznikach pr du zawiera 8 w ókien otoczonych Nb oraz CuNi 70/30 w matrycy ze stali nierdzewnej SS316L, d) ta ma przeznaczona do budowy uzwoje elektromagnesów zawiera 12 w ókien wokó rdzenia Fe+Cu w matrycy z niklu [109] 3. CH ODZENIE ELEKTROMAGNESÓW NADPRZEWODNIKOWYCH Wszystkie obecnie stosowane nadprzewodniki pracuj w temperaturach kriogenicznych od 1,9 K do 80 K. Technologia osi gania niskich temperatur jest skomplikowana i wymaga zastosowania odpowiednich urz dze do ch odzenia zwanych krioch odziarkami, zdolnymi osi ga temperatury kriogeniczne lub cieczy kriogenicznych. 3.1 Ciecze kriogeniczne Elektromagnes nadprzewodnikowy powinien by sch odzony do temperatury, w której b dzie niezawodnie pracowa. Najprostsz metod ch odzenia jest ch odzenie w k pieli cieczy kriogenicznej, której temperatura wrzenia jest odpowiednia do ch odzenia uzwoje nadprzewodnikowych. Ciecz kriogeniczna wrze w sta ej temperaturze, je eli utrzymywane jest sta e ci nienie. W tabeli przedstawiono pi cieczy (He, H 2, Ne, N 2 i O 2 ) wraz z ich najwa niejszymi parametrami. Z tych cieczy H 2 i O 2 s niebezpieczne ze wzgl du na ryzyko po aru. Ciek y tlen mo e spowodowa wybuch w po czeniu z materia ami takimi, jak teflon czy aluminium. Pozosta e ciecze s oboj tne i nie powoduj mieszanek wybuchowych.

32 J. Kozak TABELA 3.1 Wybrane w a ciwo ci cieczy kriogenicznych (przy ci nieniu atmosferycznym) [162] W a ciwo He H 2 Ne N 2 O 2 Temperatura wrzenia T, K 4,22 20,39 27,09 77,39 90,18 Punkt potrójny, K 13,96 24,56 63,16 54,36 Ciep o parowania (ciecz), kj/kg 20,9 443 85,9 199,3 213 G sto (T, ciecz) kg/m 3 125 70,8 1206 807 1141 G sto (T, para) kg/m 3 16,9 1,33 9,37 4,60 4,47 G sto (293 K) kg/m 3 0,167 0,084 0,840 1,169 1,333 G sto (T, ciecz) / G sto (293 K) 749 843 1436 690 856 Wi kszo elektromagnesów LTS zbudowanych z nadprzewodników NbTi czy Nb 3 Sn wymaga ch odzenia do 4 K, dlatego jedyn odpowiedni ciecz jest ciek y hel LHe. Prawie wszystkie elektromagnesy LTS wytwarzaj ce silne pola magnetyczne ch odzone s ciek ym helem. Nadprzewodniki wysokotemperaturowe (BSCCO-2223 i YBCO-123) mog pracowa w temperaturze ciek ego azotu LN 2 (77 K) w s abym polu magnetycznym lub w temperaturze ciek ego neonu LNe (27 K) w silnym polu magnetycznym. Ciek y azot jest najcz ciej stosowan ciecz kriogeniczn, poniewa jest tani, oboj tny i atwo dost pny. Ciek y neon LNe jest trudno dost pny w du ych ilo ciach i znacznie dro szy od LN 2. Wad ch odzenia cieczami kriogenicznymi jest konieczno ich uzupe niania lub skraplania par w obiegu zamkni tym z krioch odziark [87], [162]. 3.2 Ch odzenie bezpo rednie cieczami kriogenicznymi Elektromagnesy zbudowane z nadprzewodników NbTi i Nb 3 Sn s ch odzone przewa nie w k pieli ciek ego helu LHe. Prawie wszystkie elektromagnesy MRI (Magnetic Resonance Imagining) do obrazowania magnetyczno-rezonansowego zbudowane z NbTi ch odzone s tym sposobem. Ciep o generowane przez uzwojenie NbTi jest przekazywane do cieczy kriogenicznej. Ciep o to jest absorbowane na przemian ciek ego helu w gazowy. W tych elektromagnesach nadprzewodnik pozostaje w stanie nadprzewodz cym, je eli strumie ciep a na powierzchni nadprzewodnika jest mniejszy ni ciek y hel jest w stanie odprowadzi. Ograniczenie to nazywane jest krytycznym strumieniem ciep a. Przekroczenie krytycznego strumienia ciep a powoduje nagrzewanie nadprzewodnika i mo e doprowadzi do przej cia nadprzewodnika do stanu rezystywnego. Inn metod ch odzenia jest ch odzenie wymuszone ciek ym helem. W metodzie tej nadprzewodnik znajduje si w kanale ch odz cym