История лаборатории сильных магнитных полей

Заведующие лабораторией СМП:

1969 — 1973 Георгий Степанович Вейсиг

1973 — 1996 Борис Петрович Хрусталев

с 1996 Михаил Иванович Петров

Лаборатория была создана Леонидом Васильевичем Киренским в 1969 г. Поскольку Леонид Васильевич был магнитологом, и, прежде всего – экспериментатором, то основной целью создания лаборатории было исследование магнитных свойств веществ в экстремально больших магнитных полях. Задача ставилась нетривиальная – генерировать сильные магнитные поля вплоть до мегаэрстедного уровня.

Сверхпроводящие соленоиды в ту пору не перешагнули рубежа 100 кЭ и ставки были сделаны на диссипативные водоохлаждаемые соленоиды. Благо, энергии тогда было вдоволь и на самом высоком уровне было принято решение о выделении мощности двух гидроагрегатов Красноярской ГЭС на нужды науки.

Нелегкая задача освоения такого огромного энергоресурса была возложена на Георгия Степановича Вейсига, взявшегося за конструирование соленоидов и их воплощение в металле.

В 1973 г лабораторию возглавил молодой энергичный кандидат наук – Борис Петрович Хрусталев, магнитолог по специальности и по призванию. Развернувшиеся работы широким фронтом охватили существующие в то время методы генерации сильных магнитных полей. Это прежде всего диссипативные соленоиды (Г.С. Вейсиг , Ю.К. Катрухин , О.В. Фомин, М.Ю. Каневский ) в различных вариантах: биттеровские , полигеликсы, ленточные и т.п. Также разрабатывались установки для генерации импульсных магнитных полей (В.Л. Яковенко, В.Е. Бриль).

Большой вклад в расчет и конструирование диссипативных соленоидов внес А.П. Дорошенко со своими подчас революционными идеями. Чего стоит только идея об использовании высокоомного металла в качестве изоляции витков медной обмотки вместо традиционного диэлектрика. Это позволило бы осуществить мечту Леонида Васильевича Киренского о генерации стационарного магнитного поля напряженностью в 1 миллион эрстед.

Но большие поля – не самоцель, а инструмент в руках исследователя. Исследования неоднородных магнетиков, магнитоупорядоченных монокристаллов, магнитострикции редкоземельных элементов, ориентационных фазовых переходов как в магнетиках, так и в жидких кристаллах велись научными сотрудниками лаборатории: Б.П. Хрусталевым, В.Л. Яковенко , А.Д. Балаевым , В.Г. Поздняковым, А.М. Паршиным, В.В. Усковым , В.М. Сосниным, М.М. Карпенко на «свежеприготовленных» соленоидах.

Магнитометрический павильон, в стенах которого велись исследования, стал явно мал и в новом «технологическом» корпусе был смонтирован диссипативный водоохлаждаемый соленоид с расчетным магнитным полем до 200 кЭ , запущенный в 1989 г. Проблема энергопитания этого соленоида, да и предыдущего «макетного» была успешно решена А.О. Рженецким и А.М. Садовским.

Диссипативный соленоид на 20 Т. На фото рядом – Б.П. Хрусталев.

Практическое «использование» магнитных полей было реализовано М.Ю. Каневским на Красноярском Алюминиевом заводе в виде магнитогидродинамического «насоса» для перекачки расплавленного алюминия. Кроме этого велись работы по магнитному обогащению железосодержащих руд (М.Ю. Каневский, В.В. Тарасов).

К сожалению, судьба диссипативному соленоиду была уготована печальная – в стране начались процессы, приведшие к резкому уменьшению финансирования на потребление электроэнергии. Наш соленоид с потреблением 9 мегаватт был обречен. Если посмотреть рабочий журнал включений установки «СМП-2», то виден резкий спад числа включений и времени работы диссипативного соленоида, приходящийся на 1992 год. Из 235 часов полного времени работы соленоида на период 1989 – 1992 приходится 183 часа, а на остальные 13 лет всего 52 часа. Исследования, выполненные на диссипативных соленоидах легли в основу двух кандидатских диссертаций (М.Ю. Каневский , А.П. Дорошенко) и одной докторской – Б.П. Хрусталев.

Выход из сложившейся ситуации виделся один – переходить на импульсные магнитные поля, благо опыт работы с ними в лаборатории есть. В настоящее время усилиями А.М. Паршина, Ю.В. Томулевича, Попкова С.И., Балаева А.Д, создана импульсная установка с амплитудой магнитного поля до 200 кЭ и монтируется установка с полем до 500 кЭ в магнитометрическом павильоне.

В семидесятые годы наша промышленность освоила выпуск Nb-Ti сверхпроводящего провода с приемлемыми для изготовления соленоидов параметрами. Б.П. Хрусталев, понимая перспективность сверхпроводящих соленоидов для генерации «высококачественного» магнитного поля, развернул работы по созданию сверхпроводящих соленоидов с рабочей температурой 4,2 К. Такие соленоиды позволили разработать и изготовить силами лаборатории магнитометр с параметрами мирового уровня. Первая модель магнитометра в «аналоговом» виде заработала в 1977 г ., а автоматизированный магнитометр на комплексе КАМАК-ДВК в 1983.

Конструкция магнитометра оказалась настолько удачной, что по просьбе московского ЦНИИЧМ и минского ИФТТиП были изготовлены еще две модернизированные копии, которые работают по сей день. Конструкторские разработки, изготовление и отладка магнитометров были проведены А.Д. Балаевым , Ю.В. Бояршиновым и М.М. Карпенко с 1985 по 1990 г .

Автоматизированный магнитометр на сверхпроводящем соленоиде (ПТЭ 1985 г.) и в настоящее время продолжает «выдавать продукцию» с качеством на уровне лучших мировых стандартов и обеспечивает прецизионными измерениями магнитных свойств монокристаллов, пленок и т.п. многие лаборатории нашего Института. Измерительный тракт магнитометра в силу своей универсальности (заложенной прозорливыми разработчиками), оказался адаптируемым к измерениям основных параметров сверхпроводников и обеспечивает потребности экспериментаторов при изучении транспортных свойств высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП).

Группа магнитологов. Слева направо: М.М. Карпенко, А.Д. Балаев, В.М. Соснин.

С 1977 по 2005 по экспериментальным данным, полученным на магнитометре сотрудниками лаборатории СМП при решении своих задач и задач других лабораторий было опубликовано более 200 печатных работ различного уровня, включая публикации в Rhys. Rev. Исследования нанокластерных магнетиков выполненных на вибрационном магнитометре легли в основу кандидатской диссертации А.Д. Балаева.

В 1987 г . в физическом сообществе грянул бум – появились сообщения об открытии высокотемпературной сверхпроводимости в металлооксидах. Б.П. Хрусталев с присущей ему энергичностью развернул в лаборатории работы по синтезу сверхпроводящих металлоксидов и исследованию высокотемпературной сверхпроводимости. Работы развернулись как по поиску новых металлооксидных высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), так и по исследованию транспортных и магнитных свойств новых сверхпроводников.

Поисковые работы привели к открытию нового ВТСП на основе олова Sn₂Ba₂(Sr_0.5Y_0.5)Cu₃O₈ . Это соединение вошло в справочники по сверхпроводимости (см. например www. superconductors. org, естественно с указанием на то, что оно было синтезировано в нашем Институте. Со временем основная деятельность развернулась в области исследований слабых связей джозефсоновского типа, которые мы научились изготавливать к тому времени достаточно высокого качества и воспроизводимости. Благодаря этому исследования нашей лаборатории по ВТСП заняли лидирующие позиции в этой области. Используемая технология создания слабосвязанных структур оказалась чрезвычайно гибкой и чувствительной к изменению параметров и к специфике материала слабой связи, разделяющего сверхпроводники. Слабая сверхпроводимость демонстрирует множество красивых физических явлений. К настоящему времени проведены исследования сверхпроводников слабосвязанных через диэлектрики, полупроводники и металлы.

Группа изучения физических свой ств св ерхпроводников. Слева направо: И.Л. Белозерова, С.И. Попков, А.А. Дубровский, С.А. Сацук , М.И. Петров, К.А. Шайхутдинов, Д.М. Гохфельд, Д.А. Балаев, Ю.С. Гохфельд.

Особый интерес и резонанс в научном сообществе вызвали работы по транспортным свойствам джозефсоновских сред с внедренными в материал слабой связи парамагнитных ионов. А также работы по андреевскому отражению (специфическое отражение квазичастиц в слабой связи металлического типа) как основному процессу в джозефсоновских структурах с непосредственной проводимостью и работы по гигантскому магнетосопротивлению в слабосвязанных ВТСП.

Объекты, в которых реализуется сеть слабых связей джозефсоновского типа представляют собой обычный композит, один ингредиент которого ВТСП, а другой –м атериал слабой связи. Недостаток такой сети очевиден – разброс слабых связей по параметрам. Но он преодолевается автоматически в транспортных измерениях – сверхпроводящий ток течет по наилучшей (в смысле электрической «прозрачности») части функции распределения слабых связей в сети случайных контактов, реализующихся в композите.

Существуют и преимущества композитов по сравнению с одиночными джозефсоновскими переходами. Во-первых, количество переходов на длине образца составляет около 10⁴ и соответственно во столько же раз падение напряжения больше, чем на одиночном переходе, что является благоприятным фактором для проведения экспериментов. Во-вторых, сверхпроводник в композите существенно меньше «искажается» в химическом смысле, чем при общепринятой тонкопленочной технологии изготовления джозефсоновских переходов.

Как оказалось, специфическими и чрезвычайно интересными свойствами обладают композиты, в которых вторым компонентом является пустота – это ВТПС пены, плотность  которых может доходить всего до 24% от номинальной. Например диамагнитные свойства пены превосходят диамагнетизм «почти монокристалла» - текстурированного до 97% поликристалла. Вероятно, необычность сверхпроводящих свойств пены связана с особенностями ее микроструктуры.

Работы по исследованию композитов на основе ВТСП ведутся в основном талантливой научной молодежью лаборатории. Это Юлия Гохфельд, Ирина Белозерова, Андрей Дубровский, Сергей Попков, Денис Гохфельд, Кирилл Шайхутдинов, Дмитрий Балаев. Работы по исследованию высокотемпературных сверхпроводников ведутся под руководством М.И. Петрова. Научные достижения молодых ученых неоднократно поощрялись Соросовскими стипендиями, стипендиями Краевого фонда науки, Лаврентьевскими молодежными грантами СО РАН, стипендиями Президента России. По результатам исследований физических процессов в слабых связях джозефсоновского типа защищены три кандидатские диссертации – Д.А. Балаев, К.А. Шайхутдинов и Д.М. Гохфельд.

В 70-х, 80-х годах получили широкое развитие жидкие кристаллы в связи с их возможностью применения в технике создания оптических затворов, дисплеев, транспарантов, и других светопреобразующих устройств для бытового и промышленного применения. Жидкие кристаллы обладают рядом важных физических свойств для их использования и исследования. Анизотропия оптических свойств, связанная с наличием оптической оси вдоль преимущественного направления длинных молекул дает возможность изменять состояние луча света, пропущенного через образец, и управлять излучением. Анизотропия магнитных свойств, связанная с возникновением диамагнитного момента при воздействии на образец внешнего электрического или магнитного поля позволяет изменять ориентацию молекул жидкого кристалла, а вместе с ней и оптической оси. Данное явление получило название: переход Фредерикса . Наиболее приемлемым для изучения эффектов переориентации

Группа изучения магнитных свойств жидких кристаллов. Слева направо: А.М. Паршин, А.М. Садовский, Ю.В. Томулевич .

преимущественного направления ансамбля молекул жидкого кристалла – директора – является магнитное поле ввиду отсутствия посторонних эффектов при его использовании. Создание установки сильного стационарного магнитного поля в лаборатории Сильных Магнитных Полей позволило применить магнитное поле для исследования данного класса объектов. В связи с этим в 1985 году Борис Петрович Хрусталев и Василий Филиппович Шабанов определили совместную тематику для лабораторий СМП и Молекулярной Спектроскопии: «Исследование ориентационных эффектов в сильных магнитных полях». Эксперименты по данной тематике ведутся экспериментаторами под руководством А. М. Паршина (лаб. СМП) и В. А. Гунякова (лаб. МС). Использование установки оказалось эффективным для измерений магнитооптических характеристик образцов при пропускании лазерного луча вдоль цилиндрического канала соленоида.

Удачное сочетание в геометрии магнитных и оптических свойств позволило провести измерения энергии взаимодействия нематических жидких кристаллов с различными изотропными поверхностями. Исследовано поведение нематиков на сегнетоэлектрических поверхностях твердых кристаллов. Подобные эксперименты при воздействии электрического поля в данном случае в принципе реализовать невозможно. Обнаружены полярные эффекты на границе раздела: нематик – сегнетоэлектрик. Построены температурные зависимости пороговых полей переходов Фредерикса. Обнаружен температурный фазовый переход нематиков с использования полей насыщения. Данные исследования позволили глубже понять природу жидкокристаллических веществ, а также их свойств при взаимодействии с другими объектами и продолжаются в настоящее время. Исследования ориентационных переходов Фредерикса на диссипативном соленоиде легли в основу кандидатской диссертации А.М. Паршина.

С середины девяностых годов прошлого века наряду с основной тематикой – изучением магнитных свойств окислов и сульфидов железа, в лаборатории магнетизма горных пород начала развиваться «обогатительная» тематика: совершенствование процессов магнитного обогащения минералов и руд на основе глубокого изучения их магнитных параметров. В настоящее время эти работы ведутся в лаборатории сильных магнитных полей.

Работы велись а рамках ряда разделов программы «Сибирь», на хоздоговорной основе, позднее – по программе Сибирского отделения РАН «Научные основы комплексного использования минерального сырья». В последние годы по теме «Исследование процессов селективного разделения минералов и руд нетрадиционными методами магнитной сепарации»

Приведем ряд основных результатов работ по магнитной сепарации. Развита методика сухой и мокрой сепарации в пульсирующих градиентных магнитных полях, созданных как электромагнитным способом, так и на основе постоянных магнитов. Методика позволяет получить концентраты с содержанием железа до 69 % и серы 0,1-0,2 %, разделить минералы с близкими магнитными свойствами. Созданы макеты сепараторов.

Исследована динамика магнитных полей над различными типами вращающихся магнитных систем, в том числе и новыми высокоинтенсивными магнитами неодим-железо-бор, и предложены новые способы магнитной обработки минеральных смесей перед магнитной сепарацией, приводящей к объединению тонкодисперсных магнитных материалов во флоккулы с более высокими магнитными характеристиками. Макеты устройств внедрены на обогатительной фабрике в Абаканском филиале ОАО «Евразруда».

Выполнен большой объем прикладных работ по поиску эффективных способов магнитной сепарации руд ряда месторождений Сибири (Абаканского, Краснокаменского), а в последние годы – техногенного железосодержащего сырья Кузбасса (отвалов Кузнецкого металлургического комбината, содержащего до 50 % железа). Предложены современный методы повышения качества концентрата и доизвлечения железа из хвостов обогащения и вторичного металлургического сырья – шлаков и шламов.

В 1998-2005 годах опубликовано 15 статей в журналах, более 30 – в сборниках и тезисах конференций, получено 15 патентов. По обогатительной тематике защищено 2 кандидатских диссертации.

Мы не задумываемся о том, что магнитное поле пронизывает все сущее на нашей планете, и хотя нам не даны органы чувств дл я его восприятия, доказано его влияние на все живое на «тонком» уровне. Нашей лаборатории выпала удача работать бок о бок с заслуженным деятелем науки РСФСР профессором Юрием Дмитриевичем Калининым, который посвятил свою жизнь изучению геомагнитного поля Земли, его истории вплоть до позднего палеозоя и его энергетике. К сожалению, эта тематика лаборатории оборвалась с уходом из жизни Ю.Д. Калинина.