Гиротронные комплексы - разработка и применение
 
   
Электромагниты и сверхпроводящие магниты
Для обеспечения работоспособности гиротронов необходимы магнитные поля различной величины. Для этих целей ЗАО НПП «Гиком» производит несколько типов электромагнитов, различающихся по типу охлаждения магнитной катушки (соленоида):
  • «Теплые» магниты
    • Магниты без принудительного охлаждения
    • Масляные магниты
  • Сверхпроводящие магниты
    • Заливные (жидкостные)
    • «Сухие» (безжидкостные)
 
 
Магниты без принудительного охлаждения (см. рисунок 1) используются в местах, где требуется небольшая индукция магнитного поля и нецелесообразно использование охлаждаемых магнитных систем (плотность тока в кабеле не превышает 1 А/мм2). Данные магниты характеризуются простотой конструкции.
 
Магниты с масляным охлаждением (см. рисунок 2) используются для создания рабочего магнитного поля в гиротронных комплексах технологического назначения. В таких системах организуется циркуляция масла по замкнутому контуру «масляный насос – масляно-водяной или масляно-воздушный теплообменник – соленоид – расширительный бачок – масляный насос». Преимуществами данных магнитов являются простота и дешевизна в эксплуатации, компактные размеры. К их недостаткам относятся высокое энергопотребление и сравнительно небольшие максимально достижимые магнитные поля (в пределах 1.5 Т при плотностях тока порядка 10 А/мм2).

Для создания магнитных полей большей индукции необходимо, чтобы магнит работал на больших плотностях тока (порядка 100 А/мм2). На таких плотностях тока способны работать только сверхпроводящие электромагниты (криомагниты).

Заливной (жидкостный) криомагнит показан на рисунке 3. Катушка, в качестве сверхпроводника в которой, применяется многожильный ниобий-титановый (NbTi) эмалированный кабель, находится в наполненной жидким гелием емкости. Гелиевая емкость, в свою очередь, размещается в азотном экране с азотной емкостью, наполненной жидким азотом. Гелиевая емкость и азотная емкость с экраном не имеют контакта между собой. Температура кипения жидкого гелия составляет 4.2º К, жидкого азота – 77º К. Переход NbTi кабеля в состояние сверхпроводимости происходит при температуре 9.2º К. Для предотвращения теплообмена с атмосферой конструкция размещается в вакуумный криостат. Механическая подвеска гелиевой емкости с соленоидом, заливка хладагентов и ввод электрического тока в соленоид производятся с помощью специальных конструкций, обладающих низкой тепловой проводимостью. При работе заливные криомагниты испаряют хладагенты и нуждаются в регулярной заливке жидким гелием и азотом. Заливка проводится с целью поддержания необходимого уровня погружения сверхпроводящей катушки в низкотемпературную среду и поддержания экрана при азотной температуре. Дополнительно катушка охлаждается за счет испаряющегося газообразного гелия, имеющего температуру, близкую к температуре кипения. Также испаряющийся газ отводит тепло от токовводов и подвески, что существенно понижает теплоприток даже в неоптимизированных конструкциях.

Рисунок 3 а, б Схема и внешний вид заливного криомагнита
1 - катушка из NbTi проводника; 2 – токовводы; 3 – гелиевая ёмкость; 4 – азотная ёмкость;
5- трубки для сбора газообразного гелия; 6 – вакуумный объём

В настоящее время НПП «Гиком» две модели жидкостных криомагнитов, отраженные в таблице 1. GCM-4 применяются для гиротронов с рабочей частотой в диапазоне 28 – 105 ГГц, GCM-6 – в диапазоне 105 – 170 ГГц.

Таблица 1 - Параметры жидкостных криомагнитов

Модель / мах индукция

GCM-4 / 4 Т

GCM-6 / 6.9 Т

Диаметр / расположение рабочего отверстия

160 мм / вертикальное

160 мм / вертикальное

Высота криостата

400 мм

400 мм

Диаметр криостатa

750 мм

750 мм

Максимальный ток соленоида

66 А

66 А

Расход жидкого гелия на максимальном токе соленоида

0.7 л/ч

0.7 л/ч

Расход жидкого гелия при нулевом токе соленоида

0.2 л/ч

0.2 л/ч

Наиболее современным и удобным в эксплуатации является сверхпроводящий безжидкостный («сухой») магнит, охлаждаемый с помощью криорефрижератора. Криорефрижератор имеет полностью замкнутый рабочий цикл, в котором рабочим телом является газообразный гелий высокой чистоты. В его состав входит компрессор (1), соединенный магистралями высокого и низкого давления (2) с двухступенчатым расширителем (3) (см. рисунок 4).

 

1 – компрессор; 2 – линии высокого и низкого давления; 3 – расширитель
Рисунок 4 Основные элементы криорефрижератора

 

Гелий по линии высокого давления доставляется к расширителю, находящемуся в теплообменнике, где происходит цикл расширения и холодный гелий снимает тепло с криопанелей. После этого гелий возвращается в компрессор по линии низкого давления для последующего сжатия и охлаждения в компрессоре. Для использования криорефрижераторов требуется лишь система электропитания (трехфазная сеть с напряжением 380 В, потребляемая мощность не более 10 кВт) и водяного охлаждения (расход 10 л/мин).
Для охлаждения сверхпроводящей катушки используется двухступенчатый теплообменник. Первая ступень («азотная криопанель») имеет рабочую температуру порядка 50º К, вторая («гелиевая криопанель») - температуру, близкую к температуре жидкого гелия, порядка 4º К. При этом первая ступень теплообменника используется для охлаждения теплового экрана и снятия теплопритоков с токовводов и подвески (комнатная температура – 50º К), а вторая - для захолаживания непосредственно сверхпроводящей катушки  и отвода оставшихся теплопритоков по токовводам и подвеске (50º К – 4º К). В этом типе магнитов сверхпроводящая катушка размещается в вакуумном объеме, и теплообмен происходит исключительно путем теплопередачи от криопанели через промежуточные элементы к сверхпроводнику.
В настоящее время несколько зарубежных фирм производят криорефрижераторы, обладающие необходимыми параметрами хладопроизводительности. Их применение позволяет отказаться от использования гелиевой и азотной емкостей, что заметно упрощает конструкцию магнитной системы. С другой стороны, возникает необходимость в пропитке соленоида специальным криокомпаундом, являющимся звеном в теплопередаче. Криокомпаунд - компаунд, обладающий сравнительно высокой теплопроводностью, определенным коэффициентом теплового расширения и являющийся электроизолятором.
В НПП «Гиком» спроектирован, изготовлен и испытан безжидкостный криомагнит (см. рисунок 5 и таблицу 2) с использованием криокуллера SRDK-415D производства фирмы SHI-APD Cryogenics.

Таблица 2 - Параметры безжидкостного криомагнита

Максимальная магнитная индукция

2.5 Т

Диаметр / расположение рабочего отверстия

64 мм / вертикальное

Габариты (диаметр / высота) 550 мм / 635 мм

Среднее энергопотребление 

~ 7 кВт

Время охлаждения до рабочей температуры

30 часов

 

Для работы с высокочастотными гиротронами на магнитной индукции выше 2.5 Т применяются безжидкостные криомагниты, приобретенные у ведущих производителей – фирма JASTEC (Япония) и CRYOMAGNETICS (США).