Владимир Карцев - Магнит за три тысячелетия (4-е изд., перераб. и доп.)
магнитное поле 10 Тл, представлял собой штампованные медные диски с 600
отверстиями для охлаждающей воды, имевшие радиальную прорезь. Последняя служила
для того, чтобы, немного изогнув диск, можно было присоединить его к следующему
диску для образования непрерывной спирали с током.
Первый биттеровский соленоид с полем 10 Тл, будучи сильнейшим в мире, непрерывно
работал "на науку". Единственным перерывом в его работе было время, когда для
осуществления "манхеттенского проекта" (создание первой американской атомной
бомбы) с помощью магнита Биттера в Ок-Ридже разделяли изотопы урана.
Бурное развитие физики в 60-е годы, особенно таких ее направлений, как магнитное
удержание плазмы, исследования сверхпроводимости, антиферромагнетизма, квантовой
оптики, элементарных частиц, привели к тому, что сверхсильные магнитные поля
стали остро необходимы, и для их получения были организованы лаборатории и
институты в Советском Союзе, США и Англии.
Достигнутое в 1965 г. магнитное поле 25 Тл в полмиллиона раз больше земного, в
100 раз больше поля солнечных пятен и лишь в 4 раза уступает магнитному полю,
которое, по расчетам, должно существовать в атомном ядре.
Поле 25 Тл достигнуто в Национальной магнитной лаборатории США с помощью
тройного соленоида, созданного Кольмом по расчету Монтгомери. Этот рекордный
соленоид с внутренним диаметром 10 см потреблял мощность 16 тыс. кВт. Его
внешняя секция намотана полой медной шиной квадратного сечения, внутренние
секции выполнены из медных дисков, на поверхности которых химическим способом
вытравлены радиальные каналы для охлаждения. Для изготовления магнита
использовано более 3 т меди. Давление магнитного поля на внутренние секции было
так велико, что медь начала "течь". Это давление более чем в 3 раза превышало
существующее на дне глубочайшей океанской впадины. Интересна система охлаждения
магнита, основанная на принципе пленочного кипения. При этом температура
охлаждаемой медной спирали была выше 100 °C, что вызывало возникновение на
ней многочисленных пузырьков пара, которые в течение тысячных долей секунды
превращались в огромное количество сравнительно холодной воды, водопадом (Слово
"водопад" здесь использовано не случайно. Для охлаждения этого магнита
используется вода протекающей неподалеку от лаборатории реки. Тепло,
выделяющееся в соленоиде, столь велико, что температура воды в реке на участке
ниже лаборатории повышается на полградуса.) обрушивающейся на соленоид. Удельная
теплота парообразования воды очень велика, поэтому при образовании на
поверхности спирали пузырьков от спирали отбирается гораздо более значительная
энергия, чем та, которая отбиралась бы просто при нагревании охлаждающей воды.
Этот принцип локального, или пленочного, кипения был впервые использован в
небольшом магните Кольма, с помощью которого получено поле 12,6 Тл. По сравнению
с соленоидом Биттера (поле 10 Тл) размером с колесо легковой автомашины этот
магнит величиной с грейпфрут был просто крошкой.
Сходную систему охлаждения имеет еще один грандиозный магнит. Он был создан в
Физическом институте АН СССР имени П.Н.Лебедева под руководством академика
А.М.Прохорова научными сотрудниками Л.П.Максимовым и В.Г.Веселаго. Соленоид,
напоминающий из-за множества шлангов-щупалец чудовищного осьминога, рассчитан на
получение магнитных полей более 20 Тл. Чтобы снабжать это "чудовище"
электроэнергией, построена специальная электростанция.
Колоссальное поле, полученное Кольмом в его магните на 25 Тл, создано в рабочей
зоне диаметром всего 10 см, хотя размер магнита более 1 м в поперечнике.
Проводить какие-либо крупномасштабные исследования на этом соленоиде довольно
сложно, поэтому конструкторы искали новые пути, с помощью которых можно было бы
получать значительные магнитные поля в больших рабочих объемах.
Может быть, использовать другое охлаждающее вещество? Интересный эксперимент был
проведен в Калифорнийском университете. Там еще в 1959 г. был построен соленоид,
охлаждаемый керосином. Почему выбран керосин? Дело в том, что вода, особенно с
примесями, не является идеальным изолятором, и по достижении некоторого
напряжения начинают сказываться ее электрические свойства. Обмотка, охлаждаемая
водой, подвергается коррозии. Анализ других жидкостей, которые можно было бы
использовать для охлаждения, показал, что с точки зрения теплоемкости и
безвредности наилучшим для обмотки является очищенный керосин, закупоренный в
сосуде, наполненном нейтральным газом.
"Керосиновый" соленоид, имеющий внутренний диаметр 10 см, был намотан медной
шиной, потреблял мощность 6 тыс. кВт и обеспечивал получение магнитного поля 10
Тл. Каждую секунду к нему для охлаждения подавался центнер очищенного керосина.
Оннес: "дальше охлаждать некуда!"
Этот пожилой человек с бледным лицом и уныло торчащими усами не производил
впечатления героической личности, хотя он совершил не один научный подвиг. Он
ожижил "солнечный" газ — гелий, понизив его температуру почти до абсолютного
нуля. Он открыл фантастические материалы — сверхпроводники. Он первым создал
столь технически оснащенную лабораторию, что она стала эталоном для грядущих
лабораторий XX века!
Его звали Гейке Камерлинг-Оннес (1853…1926). Он учился у знаменитых Кирхгофа
(правила Кирхгофа) и Бунзена (горелка Бунзена). На рубеже XIX и XX веков ему
удалось создать в Лейденском университете лабораторию с невиданно мощными
ожижителями воздуха, азота и водорода, с сильным коллективом стеклодувов, со
своим научным журналом.
Он знал, что делал. Еще в 1790 г. Ван-Марум, директор музея в Гааге, первым в
мире превратил газ аммиак в жидкость, кипящую при — 33 °C! Камерлинг-Оннес
достойно отметил столетний юбилей соотечественника. Хотя со сжижением водорода
его опередил Дьюар, но последний газ — гелий все же стал жидкостью у голландца
(1908 г.: при температуре — 268°°°С; Нобелевская премия 1913 г.).
Камерлинг-Оннес сжижал газы, чтобы выяснить, что же несут с собой все более
низкие температуры. С температурой было все ясно — у нее было предельно низкое
значение, а как с электрическим сопротивлением? Оно снижалось вместе с
температурой. Формула Фабри давала надежду на получение поля примерно 100 Тл.
Несколько лет труда — и сверхсильное магнитное поле должно покориться! Какая
великая желанная цель!
Но исследователи недооценивали два обстоятельства: во-первых, низких температур
достигать не так просто. Чтобы их получить, необходимо затратить значительную
энергию; во-вторых, с ростом напряженности магнитного поля вследствие явления,
называемого магнитосопротивлением, растет и электрическое сопротивление металла,
причем при низких температурах эффект магнитосопротивления проявляется особенно
сильно.
Академик П.Л.Капица в одной из своих статей представил результаты проверки идеи,
предложенной в свое время известным французским ученым Перреном: охлаждать
соленоиды жидким воздухом.
Выяснилось, что для охлаждения соленоида с магнитным полем 10 Тл, создаваемым в
области диаметром 1 см, потребуется прокачивать через него 24 л/с жидкого
воздуха. Для обеспечения работы соленоида пришлось бы построить завод по
производству жидкого воздуха.
Может быть, в результате этих обстоятельств, а может быть, и по другим причинам,
развитие низкотемпературных, но несверхпроводящих, или, как их иногда называют,
криогенных магнитов сильно задержалось.
Первой попыткой использовать низкую температуру для снижения электрического
сопротивления была постройка в 1961 г. одного из самых больших в мире соленоидов
на 10 Тл, выполненного из алюминия, охлаждаемого жидким неоном (температура
кипения 27 К). Внутренний диаметр соленоида составил 30 см, длина 200 см, масса
алюминиевых обмоток 5 т. Это один из самых больших соленоидов в мире. Он
предназначался для термоядерных исследований и поэтому на концах имел "магнитные
пробки", в которых напряженность магнитного поля достигала 20 Тл. Однако такой
соленоид мог работать только в течение 1 мин; за это короткое время весь
запасенный в криостатах жидкий неон превращался в газ.
Сделано немало попыток создать большее магнитное поле, применив другие
охлаждающие вещества (например, жидкий азот, жидкий водород) и другие материалы
