Способ взвешивания сверхпроводящего контура в магнитном поле катушки

 

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано для взвешивания инерционных тел чувствительных элементов. Сущность: для осуществления способа контур охлаждают до сверхпроводящего состояния в магнитном поле. После охлаждения контура уменьшают магнитное поле катушки в зоне сверхпроводящего контура. Технический результат: упрощение устройств, реализующих способ. 5 ил.

Изобретение относится к области прецизионного приборостроения и может быть использовано для взвешивания инерционных тел чувствительных элементов.

Известен способ взвешивания сверхпроводящего контура в магнитном поле [см. Козорез В.В. Динамические системы магнитно-взаимодействующих свободных тел. Киев: Наукова думка, 1981, с. 135-136, основанный на ″эффекте магнитная потенциальная яма″ и заключающийся в том, что контур размещают га подставке в поле постоянного магнита, охлаждают до температуры перехода контура в сверхпроводящее состояние, а затем переводят во взвешенное положение удалением подставки от контура.

Указанный способ имеет недостаток - наличие механического перемещения в зоне охлаждения, что усложняет конструкцию устройства для реализации способа.

Известен способ взвешивания сверхпроводящего контура в магнитном поле [см. Козорез В.В. Динамические системы магнитно-взаимодействующих свободных тел. Киев: Наукова думка, 1981, с 134], принятый за прототип и также основанный на эффекте "магнитная потенциальная яма", заключающийся в том, что сверхпроводящий контур размещает на подставке в положение индуктивной связи с источником магнитного поля в виде неподвижной катушки, охлаждают до температуры перехода в сверхпроводящее состояние, подают питание в нагревательную обмотку тестового ключа и разрушают сверхпроводящее состояние контура, подают постоянный ток в катушку, выключает питание нагревательной обмотки теплового ключа и охлаждают контур до сверхпроводящего состояния, а затем переводят контур во взвешенное положение удалением от контура подставки, фиксирующей его начальное положение.

Недостаток этого способа состоит в том, что для взвешивания контура требуется механическое перемещение подставки в условиях криогенных температур, что усложняет конструкцию устройства для реализации способа.

Целью настоящего изобретения является способ, упрощающий устройства для взвешивания сверхпроводящего контура в магнитном поле.

Указанная цель достигается тем, что после охлаждения сверхпроводящего контура до температуры перехода в сверхпроводящее состояние уменьшают величину магнитного потока источника магнитного поля в зоне взвешивания контура.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 и фиг.2 приведено схематическое изображение одного из устройств, с помощью которого можно осуществить взвешивание по предлагаемому способу, на фиг.3, фиг.4 и фиг.5 представлена картина магнитных полей, поясняющая физическую сущность явлений при осуществлении способа.

Устройство на фиг.1 и фиг.2 содержит взвешиваемый сверхпроводящий контур 1, источник магнитного поля в виде катушки 2, установленной на основании 3, источник 4 регулируемого постоянного тока, подключенный к катушке 2, криостат 5 с хладагентом 6. На фиг.1 контур 1 изображен в начальном положении на расстоянии h_с от катушки, на фиг.2 - во взвешенном на расстоянии h₁.

Взвешивание контура 1 осуществляют следующим образом. Контур 1 размещают на основании 3 в положение индуктивной связи с катушкой 2 и вводят в катушку 2 постоянный ток I₁ с помощью источника 4 постоянного тока. Охлаждают контур 1 до температуры перехода в сверхпроводящее состояние, например, путем заполнения криостата 5 жидким хладагентом 6, а затем выполняют заключительную операцию - взвешивают контур 1, уменьшая в катушке 2 ток до величины I ₂.

Сущность физических процессов, обеспечивающих взвешивание контура 1 по предлагаемому способу, заключается в следующем. Индуктивная связь контура 1 в начальном положении с катушкой 2 означает, что часть силовых линий магнитного поля, создаваемого катушкой 2 с током I₁, пронизывает плоскость контура 1, обеспечивая отличающийся от нуля магнитный поток на площади, ограничиваемой контуром 1. На фиг.3, изображающей исходное положение контура 1 на расстоянии h₀ от катушки 2, например, число силовых линий магнитного потока катушки 2 определяется величиной ψ₂=7, а число силовых линий, пронизывающих контур 1, величиной ψ₁=3. После охлаждения контура 1 до температуры, обесценивающей переход в сверхпроводящее состояние, магнитный поток ψ₁=3 окажется замороженный в контуре 1, при этом сила магнитного взаимодействия между катушкой 2 и контуром 1 будет равна нулю и он будет оставаться на основании 3 в исходном положении на расстоянии h_с от катушки 2. "Замороженность" магнитного потока ψ₁ в контуре 1 означает, что до тех пор, пока контур 1 будет оставаться в сверхпроводящем состоянии, никакие изменения магнитного поля катушки 2 не могут изменить магнитный поток ψ₁. На фиг.4 представлена картина магнитных полей катушки 2 и контура 1 в начальный момент после уменьшения тока в катушке 2 до величины J₂. Уменьшение тока в катушке 2 приводит к уменьшению числа силовых линий магнитного потока катушки 2, например, до величины ψ₂=5 и, как следствие, к уменьшению числа силовых линий катушки 2, пронизывающих плоскость контура 1. Однако магнитный поток, замороженный в контуре 1, должен оставаться неизменным, поэтому в сверхпроводящем контуре 1 самопроизвольно наводится того же направления, что и ток I₂, ток I₃ , магнитный поток которого компенсирует уменьшение числа силовых линий в контуре 1, обусловленное уменьшением тока в катушке 2. На фиг.4 силовые линии магнитного потока, создаваемые током I ₃, обозначены пунктиром. Взаимодействие двух магнитных полей - поля, создаваемого током I₂ в катушке 2, и поля, создаваемого током I₃ в контуре 1, приводит к возникновению магнитной силы Р, превышающей вес G контура 1 и, следовательно, к перемещению контура 1 в положение, при котором силы взаимодействия и веса уравновешиваются. Картина магнитных полей катушки 2 и контура 1 при взвешенном на расстоянии h ₁ от катушки 2 положении контура 1 представлена на фиг.5.

Предлагаемый способ взвешивания обеспечивает устойчивость положения взвешенного сверхпроводящего контура по отношению к осевым, боковым к угловым смещениям, так как характер магнитного взаимодействия контура и катушки аналогичен действию растянутой пружины, связывающей два твердых тела.

Возможны также другие методы уменьшения магнитного потока источника магнитного поля в зоне взвешиваемого контура, например путем магнитного экранирования части потока в непосредственной близости от источника магнитного поля, однако сущность описанных физических процессов при этом не изменяется.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает взвешивание сверхпроводящего контура в магнитном поле за счет того, что после охлаждения сверхпроводящего контура до температуры перехода в сверхпроводящее состояние уменьшают величину магнитного потока источника магнитного поля в зоне взвешивания контура.

Предлагаемый способ упрощает устройства для его реализации, так как взвешивание контура не требует перемещения их элементов, фиксирующих начальное положение контура.

В отличие от известных решений, в которых взвешивание сверхпроводящего контура требует механических устройств, работающих в условиях криогенных температур, предлагаемый способ обеспечивает взвешивание сверхпроводящего контура, например, уменьшением величины постоянного тока в катушке источника магнитного поля.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого способа заключается в том, что его реализация исключает механические устройства, работающие в условиях криогенных температур, уменьшает расход хладагента, требуемого для охлаждения этих устройств. Однако ввиду отсутствия данных о предлагаемом объеме разработок и производства подсчитать экономический эффект от применения изобретения не представляется возможным.

Формула изобретения

Способ взвешивания сверхпроводящего контура в магнитном поле катушки, включающий охлаждение контура до сверхпроводящего состояния в магнитном поле, отличающийся тем, что, с целью упрощения устройств, реализующих способ, после охлаждения контура до сверхпроводящего состояния, уменьшают магнитное поле катушки в зоне сверхпроводящего контура.

РИСУНКИ