1 Современное состояние разработок сверхпроводящих электромагнитных подвесов

1.1 Основные типы сверхпроводящих электромагнитных подвесов

Впервые устойчивая левитация небольшого постоянного магнита (1044 мм³) над вогнутой сверхпроводящей поверхностью была продемонстрирована в экспериментах проведённых в 1945 году в Институте физических проблем АН СССР под руководством В. Аркадьева [23].

В 1953 году Симон осуществил подвес полой сверхпроводящей свинцовой сферы (=1,25 см, m=0,7 г) в неоднородном магнитном поле, создаваемом двумя соосными медными токонесущими катушками, либо двумя сверхпроводящими свинцовыми кольцами, в которых были индуцированы незатухающие токи противоположного направления [24]. Он также рассмотрел возможность подвеса сверхпроводящей сферы в магнитном поле кольцевых постоянных магнитов и реализовал два режима работы сверхпроводящего электромагнитного подвеса (СЭМП): а) с постоянным током в катушках, б) с постоянным магнитным потоком в короткозамкнутых сверхпроводящих катушках с током.

Кулвер и Дэвис в 1957 году первыми отметили перспективность использования результатов экспериментов Симона для создания прецизионных криогенных гироскопов [25]. Несколько лет спустя Бухгольд рассмотрел применение СЭМП в качестве чувствительных элементов криогенных акселерометров и гироскопов [26-28]. В предложенных им конструкциях сверхпроводящие пробные тела в виде кубов, цилиндров и сфер подвешивались в магнитном поле, создаваемом сверхпроводящими катушками с током и формирующими сверхпроводящими экранами. Следует отметить, что в силу причин технологического характера в то время были разработаны и исследованы только макетные образцы этих приборов. В дальнейшем в были разработаны: одноосевой горизонтальный акселерометр с магнитным инерционным элементом левитирующем внутри сверхпроводящего цилиндра [29], гравиметры со сферическим сверхпроводящим пробным телом [30-33] и пробным телом в виде сверхпроводящего кольца с током левитирующем над сверхпроводящем пьедесталом [34], одноосевой горизонтальный акселерометр с инерционным сверхпроводящим элементом в виде шпули левитирующей в магнитном поле соосной с ней сверхпроводящей проволки с током [35], шестиосевой спутниковый акселерометр [36, 37], крутильные системы со сферическим СЭМП для гравитационных экспериментов и измерения сил Казимира [38-40]. Исследовалась также возможность создания криогенных двухосевого горизонтального сейсмометра [41], гравитационных градиентометра [42] и вариометра [43] на основе различных конфигураций цилиндрических сверхпроводящих подвесов. Разработаны электромагнитные подвесы сверхпроводящих тел в виде усечённого конуса, используемые в прецизионных измерениях кванта магнитного потока [44], а также сверхпроводящих сферических тел малых размеров (< 1 мм) [45]. Достаточно подробное описание конструкций криогенных гироскопов, гравиметров и акселерометров можно найти в обзорах [46-49].

В отличие от рассмотренных выше типов подвесов, основанных на эффекте Мейсснера и идеальной проводимости в сверх­проводниках, подвес постоянного магнита внутри короткозамкнутого сверхпроводящего витка, предложенный в работе [50], основан на законе сохранения магнитного потока в многосвязных сверхпроводниках. Возможны два случая его реализации:

1. В сверхпроводящем витке при приближении к нему соосного магнита наводится ток, магнитное поле которого отталкивает магнит и сохраняет нулевым суммарный магнитный поток через виток.

2. Виток, внутри которого соосно с ним находится постоянный магнит, переводится в сверхпроводящее состояние. При смещении магнита от исходного положения в витке находится ток, магнитное поле которого будет возвращать магнит в начальное положение, сохраняя тем самым неизменным магнитный поток через виток.

Проблема левитации сверхпроводящей катушки с током в осесимметричном и тороидальном магнитных полях, создаваемых нормальными катушками с током, рассматривалась в работах [51-56]. Так, в [51, 54] был проведён теоретический анализ устойчивости такого типа СЭМП.

Вопрос о взаимодействии двух сверхпроводящих контуров с током изучался в ряде работ [57, 9, 58-61, 3, 5, 62-65]. Из них следует отметить работы Козореза с соавторами [60, 61], в которых теоретически и экспериментально показана устойчивость по отношению к осевым смещениям сверхпроводящего кольца с постоянным магнитным потоком, подвешенного в магнитном поле соосного с ним сверхпроводящего кольца с постоянным магнитным потоком того же направления, если эти потоки не равны друг другу. Козорез также показал, что магнитная опора в виде сверхпроводящего кольца, левитирующего между двумя токонесущими сверхпроводящими кольцами, устойчива по всем направлениям и имеет малую жёсткость [3]. Это может быть использовано для создания высокочувствительных гравиинерциальных датчиков. Так, в работе [62] предложен и проанализирован подвес кольцеобразной короткозамкнутой сверхпроводящей катушки с током в магнитном поле двух закреплённых соосных сверхпроводящих катушек. Этот подвес характеризуется очень низкой жёсткостью и высокой линейностью по отношению к малым осевым смещениям подвешенной катушки, что является необходимым при использовании его в качестве чувствительного элемента гравиинерциального датчика. Следует отметить работу [63] в которой проведено детальное экспериментальное исследование силового взаимодействия сверхпроводящих катушек с током. В работах [64, 65] в рамках формализма Гинзбурга-Ландау показано существование квантовых левитационных состояний в системе из двух мезоскопических сверхпроводящих колец (одно из колец закреплено) зависящих от числа квантов магнитного потока в каждом из колец (размеры колец сопоставимы с длиной когерентности Гинзбурга-Ландау сверхпроводника ~10‾⁵ см). Аналогичный результат получен и в случае левитации магнитной микросферы между двумя закреплёнными мезоскопическими сверхпроводящими кольцами. Экспериментального подтверждения эти теоретические результаты пока не получили.