В Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ продолжаются работы по реализации мегасайенс проекта ускорительного комплекса NICA. Будущий коллайдер не будет иметь аналогов в мире, а значит, и многие его инженерные решения должны быть уникальными, нацеленными на проблематику современной науки.

В частности, для питания ускорителей частиц комплекса NICA – Бустера и Нуклотрона – разрабатывается система питания, содержащая сверхпроводящий индуктивный накопитель энергии SMES, который должен быть введен в эксплуатацию в 2023 году. На конструкцию диэлектрического каркаса импульсного сильноточного сверхпроводящего соленоида в этом году был оформлен российский патент на изобретение. Авторами патента являются старший научный сотрудник Группы новых магнитных технологий на основе высокотемпературной сверхпроводимости НЭОСМТ ЛФВЭ ОИЯИ Михаил Новиков, заместитель директора ЛФВЭ Гамлет Ходжибагиян и сотрудник указанной Группы Максим Заславский.

Экспериментальная намоточная установка ВТСП-кабеля

Новое изобретение будет применено в магните SMES для системы питания Бустера и Нуклотрона ускорительного комплекса NICA. Магнит будет представлять собой соленоид диаметром около метра, такой же высоты, с импульсным током в несколько килоампер, максимальным полем на обмотке около 6 Тл, рабочей температурой 30 К при охлаждении потоком кипящего неона через канал в сверхпроводящем кабеле из ВТСП-лент. Сам соленоид группе ученых и инженеров еще предстоит создать. Требования к несущему каркасу для соленоида достаточно высокие: чтобы не наводились вихревые токи, каркас должен быть диэлектрическим; также он должен выдерживать криогенные температуры, и значительные пондеромоторные силы в циклирующем импульсном режиме, много миллионов циклов.

Десятки корпусов каркаса секций (слоев) соленоида, представляющие собой коаксиальные трубы разного диаметра, будут изготовлены из стеклопластика (стеклотекстолита) с эпоксидным связующим, адаптированным под низкие температуры. Нити стеклотекстолита будут идти в перехлест, в основном по окружности, а частично – параллельно оси соленоида, в направлении действия основных сил в обмотке. Это делается для того, чтобы максимальная прочность препятствовала разрыву кольца каркаса тангенциальными напряжениями.

«На наименьшем корпусе каркаса вытачивается канавка, на которую наматывается высокотемпературный сверхпроводниковый (ВТСП) круглый кабель. Он выступает в качестве резьбы для внешнего, бандажирующего, корпуса большего размера. Поверх этой конструкции навинчивается следующая по размеру труба с проточенной изнутри резьбой. То есть внешние корпуса накручиваются на обмотку из кабеля, как гайка», — подчеркнул соавтор изобретения Михаил Новиков.

Кабели устроены наподобие кабеля нуклотронного типа из ниобий-титановых стрендов, однако проводники представляют собой не проволоки, а ленты. При их изготовлении на 30-40 микронную подложку наносится несколько буферных слоев при помощи нескольких ионных источников, работающих в высоком вакууме. Потом, также в вакууме, при помощи лазера распыляется слой керамики, поверх которого проводится магнетронное напыление серебром. Такие ВТСП-ленты делают лишь около десяти компаний в мире. Кабель из них, для SMES и некоторых типов ускорительных магнитов, изготавливается в НЭОСМТ ЛФВЭ ОИЯИ.

В качестве связующего используется эпоксидный криогенно-устойчивый компаунд. Вокруг соленоида будет создан теплоизоляционный вакуум. «Мы уже заказали подобный каркас и скоро будем мотать магнит на 5 Тесла из ВТСП-кабеля – импульсный соленоид для методики исследования потерь и стабильности сверхпроводников, по такому же принципу», — рассказал Михаил Новиков.

Новая конструкция может быть применена не только на NICA. Практически сделать ее достаточно трудоемко в силу необходимости вытачивать точную резьбу на корпусах каркаса. Конструкция позволяет использовать сечение стеклотекстолита более полно в сравнении с другими вариантами, потому что следующая секция держит предыдущую. Новое изобретение также позволяет проводить охлаждение соленоида более эффективно.

Группа новых магнитных технологий на основе высокотемпературной сверхпроводимости ЛФВЭ ведет дальнейшие работы по усовершенствованию конструкции и технологии каркасов, а также планирует подать заявку на патент и с другими своими разработками. Следующий патент будет связан с ВТСП-кабельной установкой и конструкцией ВТСП-кабеля для ускорительных магнитов.

В список основных задач, которые стоят перед Группой, входит создание соленоида для накопителя энергии SMES системы питания Бустера и Нуклотрона, участие в разработке магнитов из ВТСП-кабеля для модернизации ускорителя Нуклотрон, и разработка ВТСП-обмотки для создаваемого в рамках проекта Международного инновационного центра ОИЯИ медицинского сверхпроводящего циклотрона SC-230.