Смекни!
smekni.com
Радиоэлектроника

Сверхпроводимость (стр. 2 из 3)

Перераспределение тока и нормальный переход в сверхпроводящем кабеле [9]Переход в нормальное состояние сверхпроводящего кабеля (СК), состоящего из нескольких параллельно соединенных токонесущих элементов (жил), представляющих собой многоволоконные композитные сверхпроводники, сопровождается перераспределением тока между этими элементами. Процесс нормального перехода кабеля имеет ряд специфических особенностей [10], таких как множественное зарождение нормальной зоны (НЗ), аномально быстрое распространение НЗ и ТД, которые не могут быть объяснены в рамках стандартной теории.

Особенности нормального перехода связанные с быстрым перераспределением тока между жилами кабеля исследовались экспериментально. При этом в зависимости от величины начального тока в одной жиле Iо наблюдались три различных режима перехода СК в нормальное состояние, При достаточно малом токе Iо нормальный переход одной из жил не приводит к переходу всего СК, а лишь к перераспределению тока между жилами. Полный ток в кабеле при этом остается постоянным. Если ток Iо превышает некоторое пороговое значение I¢о,то перераспределение тока приводит к зарождению НЗ в других жилах. По мере распространения по ним НЗ, СК целиком переходит в нормальное состояние, а ток в нем медленно (»10 мс) затухает. При еще большем токе Iо>I”опереход в нормальное состояние одной из жил приводит к очень быстрому (» 0,1 мс) перераспределению тока между жилами, которое вызывает столь же быстрый переход в нормальное состояние всего СК. Этот процесс получил в литературе название “fast quench”. Были проведены теоретические исследования перехода в нормальное состояние на примере кабеля, состоящего из двух индуктивно связанных сверхпроводящих жил. При этом учитывалось взаимодействие распространяющейся НЗ с электромагнитными возмущениями, которые инициируются в жилах изменяющимся током. Такой процесс привел к эффекту “ускорения” распространяющейся НЗ, а также к возникновению в токонесущем элементе термомагнитной неустойчивости (ТМН) и к его переходу в нормальное состояние при токе ниже критического. Учитывалось влияние неоднородностей на динамику нормального перехода СК. Данный подход позволил достаточно полно описать эффекты, наблюдавшиеся в [10] при переходе СК в нормальное состояние.

Для описания процесса нормального перехода СК воспользуемся моделью электрической цепи с индуктивной связью. Эквивалентная электрическая схема СК, состоящего из двух жил, показана на рис.2.

I1
R1
L1


Каждая жила в данной модели обладает индуктивностью (L1, L2) и переменным сопротивлением (R1(t), R2(t)), зависящим от длины участка НЗ. Уравнения Кирхгофа для данной цепи имеют вид:

L1I`1 + MI`2 + R1I1 = e - r(I1 + I2),

MI`1 + L2I`2 + R2I2 = e - r(I1 + I2),

где I1, I2 - токи в жилах, I`1, I`2 - скорости изменения токов, М - коэффициент взаимоиндукции, e - э. д. с. источника тока, r - внешнее сопротивление.

Нормальная зона в жилах возникает вблизи “слабых областей” (контактов, дефектов и т. п.), связанных с неоднородными по длине жилы тепло-или электрофизическими свойствами и играющих роль центров зарождения нормальной фазы. Предположим, что центры зарождения нормальной фазы расположены далеко друг от друга и распространение возникших в “слабых областях” участков НЗ можно считать независимым. В этом приближении для жилы 1 имеем:

R`1 = 2r/A*n1*v[I1(t),I`1(t)] ,

где R`1 = dR1/dt - скорость изменения сопротивления жилы 1, r - ее удельное сопротивление, А - площадь поперечного сечения жилы, n1 - число центров зарождения фазы, на которых возникли участки НЗ, v - скорость распространения НЗ, зависящая от I1 и I`1. Аналогичное соотношение имеет место и для жилы 2.

Распространение НЗ в сверхпроводнике с изменяющимся током имеет ряд особенностей, связанных с исчезновением устойчивого сверхпроводящего состояния при некотором токе Iq(I`) вследствие развития ТМН. В области токов близких к Iqскорость распространения НЗ v резко возрастает. Величина тока Iq существенно зависит от I`, что приводит к сильной зависимости v от I`. Получено приближенное выражение для скорости НЗ v(I, I`), которые в адиабатическом пределе a>>1имеет вид:

v = vad*i/Ö1-I-qs,

где a - параметр Стекли, vad - характерная скорость НЗ в адиабатическом пределе, Is - критический ток жилы, i = I/Is, h - коэффициент теплоотвода в охладитель с температурой То,Тс - критическая температура, Р - периметр жилы. Это выражение для скорости распространения НЗ применимо при условии малости характерного масштаба скорости изменения тока Iо. Зависимость qsот I и I` определяется величиной усредненного по сечению жилы электрического поля <E>, индуцируемого в сверхпроводящем состоянии изменяющимся током I , qsa <E>, и при условии потери стабильности сверхпроводящего состояния при токе I = Iq(I`).

Как отмечалось выше, зарождение НЗ при быстром изменении тока происходит в “слабых областях” жилы. Величина тока нормального перехода в “слабой области” I*q(I`) отличается от тока потери устойчивости сверхпроводящего состояния всей жилы Iq(I`) и зависит от природы неоднородности, ее размера и т. д.

Ряд особенностей нормального перехода СК, состоящего из нескольких жил, связан с быстрым перераспределением транспортного тока между жилами. Механизм перераспределения тока в СК существенно зависит от величины начального тока. Существует три основных режима перераспределения тока в кабеле, каждому из которых соответствует определенная динамика нормального перехода.

При малом начальном токе возникновение в одной из жил (вследствие каких-либо возмущений) участка НЗ не приводит к нормальному переходу всего кабеля, а НЗ в этой жиле исчезает, когда ток в ней падает до величины минимального тока существования нормальной фазы Im (режим перетекания тока). Если начальный ток в жилах превышает пороговое значение Io > I*o, то перераспределение тока, возникающее вследствие зарождения НЗ в одной из жил, приводит к частичному переходу остальных жил в нормальное состояние (режим медленного перехода). При еще больших начальных токах Io > I**o весь СК переходит в нормальное состояние как целое вследствие развития ТМН (режим быстрого перехода). Для этого режима характерны резкий рост сопротивления жил и быстрое падение тока в кабеле, что в экспериментах может интерпретироваться как аномально быстрое распространение НЗ (или аномально быстрый переход “fast quench”). Для однородного СК режим медленного перехода исчезает, так как локальное зарождение НЗ в жиле 2 в этом случае невозможно. Тогда перераспределение тока в СК осуществляется либо в режиме перетекания тока (СК остается в сверхпроводящем состоянии), либо в режиме быстрого перехода. Пороговый ток Imaxo определяет границу области стабильности СК по отношению к тепловым возмущениям. Величина Imaxo возрастает с увеличением длины кабеля и существенно зависит от эффективной индуктивности жил L. Таким образом, повышение уровня стабильности СК тесно связанно с необходимостью уменьшить скорость перераспределения тока между жилами. Экспериментально показано, что при прочих равных условиях величина тока Imaxo максимальна для транспонированного кабеля, в котором индуктивная связь между жилами мала.

 
назад
читать дальше
1
2
3
НАПИШИТЕ НАМ
Copyright © Smekni.com. All rigths reserved.