Сверхпроводящий магнит

Схема сверхпроводящего магнита на 20 Тесла с вертикальным отверстием

— Сверхпроводящий магнит это электромагнит, сделанный из катушек сверхпроводящего провода . Во время работы их необходимо охлаждать до криогенных температур. В сверхпроводящем состоянии провод не имеет электрического сопротивления и поэтому может проводить гораздо больший электрический ток, чем обычный провод, создавая интенсивные магнитные поля. Сверхпроводящие магниты могут создавать более сильные магнитные поля , чем все, кроме самых сильных несверхпроводящих электромагнитов , а большие сверхпроводящие магниты могут быть дешевле в эксплуатации, поскольку энергия не рассеивается в виде тепла в обмотках. Они используются в приборах МРТ в больницах и в научном оборудовании, таком как ЯМР -спектрометры, масс-спектрометры , термоядерные реакторы и ускорители частиц . Они также используются для левитации, управления и движения в железнодорожной системе на магнитной подвеске (maglev), строящейся в Японии .

Строительство

Охлаждение

Во время работы обмотки магнитов должны охлаждаться ниже критической температуры — температуры, при которой материал обмотки переходит из нормального резистивного состояния в сверхпроводник , что находится в криогенном диапазоне намного ниже комнатной температуры. Обмотки обычно охлаждают до температур значительно ниже их критической температуры, поскольку чем ниже температура, тем лучше работают сверхпроводящие обмотки — тем более высокие токи и магнитные поля они могут выдерживать, не возвращаясь в несверхпроводящее состояние. Для поддержания обмоток магнитов при температурах, достаточных для поддержания сверхпроводимости, обычно используются два типа систем охлаждения:

С жидкостным охлаждением

Жидкий гелий используется в качестве охлаждающей жидкости для многих сверхпроводящих обмоток. Его температура кипения составляет 4,2 К, что намного ниже критической температуры большинства материалов обмотки. Магнит и охлаждающая жидкость содержатся в теплоизолированном контейнере ( дьюаре ), называемом криостатом . Чтобы гелий не выкипал, криостат обычно конструируют с внешней рубашкой, содержащей (значительно более дешевый) жидкий азот при температуре 77 К. Альтернативно, тепловой экран из проводящего материала, поддерживаемый в диапазоне температур 40–60 К и охлаждаемый проводящие соединения с холодной головкой криокулера размещены вокруг сосуда, наполненного гелием, чтобы поддерживать подвод тепла к последнему на приемлемом уровне. Одной из целей поиска высокотемпературных сверхпроводников является создание магнитов, которые можно охлаждать только жидким азотом. При температурах выше примерно 20 К охлаждение может быть достигнуто без выпаривания криогенных жидкостей.

Механическое охлаждение

Из-за роста стоимости и сокращения доступности жидкого гелия многие сверхпроводящие системы охлаждаются с помощью двухступенчатого механического охлаждения. Обычно используются два типа механических криорефрижераторов, которые обладают достаточной охлаждающей способностью для поддержания температуры магнитов ниже критической. Гиффорда-МакМагона Криокулер коммерчески доступен с 1960-х годов и нашел широкое применение. Цикл регенератора ГМ в криокуллере работает с использованием вытеснителя поршневого типа и теплообменника. С другой стороны, 1999 год ознаменовал первое коммерческое применение криокулера с импульсной трубкой . Эта конструкция криокулера становится все более распространенной из-за низкой вибрации и длительного интервала обслуживания, поскольку в конструкциях импульсных трубок вместо механического смещения используется акустический процесс. В типичном двухступенчатом холодильнике первая ступень обеспечивает более высокую холодопроизводительность, но при более высокой температуре (≈ 77 К), а вторая ступень достигает ≈ 4,2 К и < 2,0 Вт охлаждающей мощности . При использовании первая ступень используется в основном для вспомогательного охлаждения криостата, а вторая ступень используется в основном для охлаждения магнита.

Материалы для намотки катушек

Максимальное магнитное поле, достижимое в сверхпроводящем магните, ограничено полем, при котором материал обмотки перестает быть сверхпроводящим, его «критическим полем» H _c , которое для сверхпроводников II рода является его верхним критическим полем . Другим ограничивающим фактором является «критический ток» I _c , при котором материал обмотки также перестает быть сверхпроводящим. Достижения в области магнитов были сосредоточены на создании лучших материалов для намотки.

Сверхпроводящие части большинства современных магнитов состоят из ниобия-титана . Этот материал имеет критическую температуру 10 К и может быть сверхпроводником примерно до 15 Тл . Более дорогие магниты могут быть изготовлены из ниобий-олова (Nb ₃ Sn). Они имеют Тс _{, от 25 до 30 Тл. К сожалению, из} 18 К. При работе при 4,2 К они способны выдерживать гораздо более высокую напряженность магнитного поля этого материала гораздо труднее изготовить необходимые нити. Вот почему иногда используется комбинация Nb ₃ Sn для секций с высоким полем и NbTi для секций с низким полем. Ванадий-галлий — еще один материал, используемый для высокопольных вставок.

Высокотемпературные сверхпроводники (например, BSCCO или YBCO ) могут использоваться для вставок с сильным полем, когда требуемые магнитные поля превышают _{Nb 3 Sn.} возможности BSCCO, YBCO или диборид магния также могут использоваться в качестве токоподводов, проводя высокие токи от комнатной температуры к холодному магниту без сопутствующей большой утечки тепла из резистивных выводов.

Структура проводника

Обмотки катушек сверхпроводящего магнита изготавливаются из проводов или лент сверхпроводников II рода (например, ниобий-титан или ниобий-олово ). Сам провод или лента могут быть изготовлены из крошечных нитей (толщиной около 20 микрометров ) сверхпроводника в медной матрице. Медь необходима для придания механической стабильности и обеспечения пути с низким сопротивлением для больших токов в случае, если температура поднимется выше T _c или ток превысит I _c и потеряется сверхпроводимость. Эти нити должны быть такими маленькими, потому что в этом типе сверхпроводника ток течет только в поверхностном слое, толщина которого ограничена глубиной проникновения Лондона (см. Скин-эффект ). Катушка должна быть тщательно спроектирована так, чтобы выдерживать (или противодействовать) магнитному давлению и силам Лоренца , которые в противном случае могли бы вызвать разрыв провода или разрушение изоляции между соседними витками.

Операция

Сверхпроводящий магнит с горизонтальным отверстием 7 Тл , часть масс-спектрометра. Сам магнит находится внутри цилиндрического криостата.

Источник питания

Ток на обмотки катушки подается от постоянного источника тока с высоким током и очень низким напряжением , поскольку в установившемся состоянии единственное напряжение на магните возникает из-за сопротивления питающих проводов. Любое изменение тока через магнит должно производиться очень медленно, во-первых, потому что электрически магнит представляет собой большой индуктор , и резкое изменение тока приведет к сильному скачку напряжения на обмотках, и, что более важно, потому что быстрые изменения тока могут вызвать вихревые явления. токи и механические напряжения в обмотках, которые могут вызвать закалку (см. ниже). Таким образом, источник питания обычно управляется микропроцессором и запрограммирован на плавное изменение тока. Обычно требуется несколько минут, чтобы подать или обесточить магнит лабораторного размера.

Постоянный режим

Альтернативный режим работы, используемый большинством сверхпроводящих магнитов, заключается в коротком замыкании обмоток куском сверхпроводника после подачи питания на магнит. Обмотки становятся замкнутым сверхпроводящим контуром, источник питания можно отключить, и постоянные токи будут течь месяцами, сохраняя магнитное поле. Преимущество этого постоянного режима заключается в том, что стабильность магнитного поля лучше, чем это возможно при использовании лучших источников питания, и для питания обмоток не требуется никакой энергии. Короткое замыкание осуществляется с помощью «постоянного переключателя» — куска сверхпроводника внутри магнита, соединенного между концами обмотки и прикрепленного к небольшому нагревателю. Когда магнит впервые включается, провод переключателя нагревается выше температуры перехода, поэтому он становится резистивным. Поскольку сама обмотка не имеет сопротивления, ток через провод переключателя не течет. Для перехода в постоянный режим ток питания регулируют до получения нужного магнитного поля, затем нагреватель отключают. Постоянный переключатель охлаждается до температуры сверхпроводимости, вызывая короткое замыкание обмоток. Затем питание можно отключить. Ток обмотки и магнитное поле на самом деле не будут сохраняться вечно, а будут медленно затухать в соответствии с нормальной индуктивной постоянной времени ( L / R ):

$H(t)=H_{0}e^{-(R/L)t},$

где $R$ Это небольшое остаточное сопротивление в сверхпроводящих обмотках из-за соединений или явления, называемого сопротивлением движению потока. Почти все коммерческие сверхпроводящие магниты оснащены постоянными переключателями.

Магнитная закалка

Закалка — это ненормальное прекращение работы магнита, возникающее при переходе части сверхпроводящей катушки в нормальное ( резистивное ) состояние. Это может произойти из-за того, что поле внутри магнита слишком велико, скорость изменения поля слишком велика (вызывая вихревые токи и, как следствие, нагрев медной опорной матрицы), или из-за комбинации этих двух факторов. Реже дефект магнита может стать причиной гашения. Когда это происходит, это конкретное место подвергается быстрому джоулевому нагреву от огромного тока, что повышает температуру окружающих областей. Это также переводит эти области в нормальное состояние, что приводит к большему нагреву в цепной реакции. Весь магнит быстро приходит в норму (это может занять несколько секунд, в зависимости от размера сверхпроводящей катушки). Это сопровождается громким взрывом, поскольку энергия магнитного поля преобразуется в тепло, и быстрым выкипанием криогенной жидкости . Резкое уменьшение тока может привести к всплескам индуктивного напряжения в киловольтах и ​​образованию дуги. Необратимые повреждения магнита случаются редко, но компоненты могут быть повреждены в результате локального нагрева, высокого напряжения или больших механических сил. На практике магниты обычно имеют защитные устройства для остановки или ограничения тока при обнаружении начала гашения. Если большой магнит подвергается закалке, инертный пар, образуемый испаряющейся криогенной жидкостью, может представлять собой значительный вред. опасность удушья для операторов из-за вытеснения пригодного для дыхания воздуха.

Большая часть сверхпроводящих магнитов неожиданно ЦЕРН Большого адронного коллайдера погасла во время пусковых операций в 2008 году, что потребовало замены ряда магнитов. Чтобы предотвратить потенциально разрушительные затухания, сверхпроводящие магниты, образующие БАК, оснащены быстродействующими нагревателями, которые активируются, как только сложная система защиты от тушения обнаруживает событие тушения. Поскольку дипольные изгибающие магниты соединены последовательно, каждая силовая цепь включает в себя 154 отдельных магнита, и в случае возникновения события гашения вся совокупная накопленная энергия этих магнитов должна быть немедленно сброшена. Эта энергия передается в отвалы, представляющие собой массивные металлические блоки, которые за считанные секунды нагреваются за счет резистивного нагрева до нескольких сотен градусов Цельсия. Гашение магнита, хотя и нежелательно, но является «довольно рутинным событием» во время работы ускорителя частиц.

Магнит «тренировочный»

В некоторых случаях сверхпроводящие магниты, рассчитанные на очень высокие токи, требуют обширной приработки, чтобы магниты могли функционировать при полных запланированных токах и полях. Это известно как «тренировка» магнита и включает в себя своего рода эффект материальной памяти. Одна из ситуаций, в которой это необходимо, — это коллайдеры частиц , такие как ЦЕРН коллайдер Большой адронный . Планировалось, что магниты БАК будут работать при напряжении 8 ТэВ (2 × 4 ТэВ) при первом запуске и 14 ТэВ (2 × 7 ТэВ) при втором запуске, но первоначально они работали при более низкой энергии - 3,5 ТэВ и 6,5 ТэВ. за луч соответственно. Из-за первоначальных кристаллографических дефектов материала они первоначально потеряют свою сверхпроводящую способность («закалку») при более низком уровне, чем расчетный ток. ЦЕРН утверждает, что это происходит из-за электромагнитных сил, вызывающих крошечные движения в магнитах, которые, в свою очередь, приводят к потере сверхпроводимости при работе с высокой точностью, необходимой для их запланированного тока. Повторно запуская магниты при более низком токе, а затем слегка увеличивая ток до тех пор, пока он не загаснет под контролем, магнит постепенно приобретет необходимую способность выдерживать более высокие токи, предусмотренные его проектной спецификацией, без возникновения затухания, и любые подобные проблемы будут «потрясены». " из них, пока они в конечном итоге не смогут надежно работать на полном запланированном токе, не испытывая при этом затухания.

История

Хотя идея создания электромагнитов из сверхпроводящей проволоки была предложена Хейке Камерлинг-Оннесом вскоре после того, как он открыл сверхпроводимость в 1911 году, практическому созданию сверхпроводящего электромагнита пришлось ждать открытия сверхпроводящих материалов, которые могли бы поддерживать большие критические плотности сверхтока в сильных магнитных полях. Первый успешный сверхпроводящий магнит был построен GB Yntema в 1955 году с использованием ниобиевой проволоки и достиг поля 0,7 Тл при 4,2 К. Затем, в 1961 году, Дж. Э. Кунцлер , Э. Бюлер, ФСЛ Сюй и Дж. Верник сделали открытие, что соединение ниобия и олова может поддерживать плотность критического сверхтока, превышающую 100 000 ампер на квадратный сантиметр в магнитных полях 8,8 тесла. Несмотря на свою хрупкую природу, ниобий-олово с тех пор оказалось чрезвычайно полезным в супермагнитах, генерирующих магнитные поля до 20 Тл.

Постоянный переключатель был изобретен в 1960 году Дуайтом Адамсом, когда он работал научным сотрудником в Стэнфордском университете. Второй постоянный переключатель был построен в Университете Флориды студентом магистратуры Р. Д. Личти в 1963 году. Он сохранился в витрине Физического корпуса Университета Флориды.

В 1962 году Т.Г. Берлинкур и Р.Р. Хейк обнаружил свойства ниобий-титановых сплавов с высоким критическим магнитным полем и высокой критической плотностью сверхтока. Хотя сплавы ниобий-титан обладают менее впечатляющими сверхпроводящими свойствами, чем ниобий-олово, они очень пластичны, легко изготавливаются и экономичны. Сплавы ниобия и титана, используемые в супермагнитах, генерирующих магнитные поля до 10 Тл, являются наиболее широко используемыми материалами для супермагнитов.

В 1986 году открытие высокотемпературных сверхпроводников и Георгом Беднорцем Карлом Мюллером активизировало эту область, открыв возможность создания магнитов, которые можно было бы охлаждать жидким азотом вместо более сложного в работе гелия.

В 2007 году магнит с обмотками YBCO достиг мирового рекорда поля в 26,8 Тл . Национальный исследовательский совет США поставил перед собой цель создать сверхпроводящий магнит силой 30 тесла.

В 2014 году во всем мире экономическая деятельность на сумму почти шесть миллиардов долларов США стала результатом того, что сверхпроводимость стала незаменимой. На системы МРТ, большинство из которых используют ниобий-титан, пришлось около 80% от этого общего количества.

В 2016 году Юн и др. сообщили о сверхпроводящем магните без изоляции на 26 Тл, который они построили из GdBa ₂ Cu ₃ O _{7– x} , с использованием метода, о котором ранее сообщалось в 2013 году.

В 2017 году магнит YBCO, созданный Национальной лабораторией сильных магнитных полей (NHMFL), побил предыдущий мировой рекорд силой 32 Тл. Это полностью сверхпроводящий пользовательский магнит, рассчитанный на долгие десятилетия. Им принадлежит текущий рекорд по состоянию на март 2018 года.

В 2019 году Институт электротехники Китайской академии наук (IEE, CAS) установил новый мировой рекорд в 32,35 Тл со сверхпроводящим магнитом. Также используется технология без изоляции для вставного магнита HTS.

В 2019 году NHMFL также разработала неизолированную испытательную катушку YBCO в сочетании с резистивным магнитом и побила собственный мировой рекорд лаборатории по максимальному непрерывному магнитному полю для любой конфигурации магнита при напряжении 45,5 Тл.

Магнит ЯМР 1,2 ГГц (28,2 Тл) было достигнуто в 2020 году с использованием магнита HTS .

В 2022 году Хэфэйский институт физических наук Китайской академии наук (HFIPS, CAS) установил новый мировой рекорд по созданию сильнейшего постоянного магнитного поля в 45,22 Тл. в то время как предыдущий рекорд NHMFL 45,5 Тл в 2019 году был фактически достигнут, когда магнит сразу же вышел из строя при гашении .

Использование

Сканер магнитно-резонансной томографии (МРТ), использующий сверхпроводящий магнит. Магнит находится внутри корпуса в форме пончика и может создавать поле силой 3 Тесла внутри центрального отверстия.

Сверхпроводящие магниты имеют ряд преимуществ перед резистивными электромагнитами. Они могут генерировать гораздо более сильные магнитные поля, чем электромагниты с ферромагнитным сердечником , которые ограничены полями около 2 Тл. Поле, как правило, более стабильно, что приводит к менее шумным измерениям. Они могут быть меньше, а область в центре магнита, где создается поле, пуста, а не занята железным сердечником. Большие магниты могут потреблять гораздо меньше энергии. В постоянном состоянии (выше) магнит потребляет только энергию, необходимую для работы холодильного оборудования. Более высокие поля могут быть достигнуты с помощью охлаждаемых резистивных электромагнитов, поскольку сверхпроводящие катушки переходят в несверхпроводящее состояние при высоких полях. Устойчивых полей более 40 Тл можно достичь, обычно путем объединения электромагнита Биттера со сверхпроводящим магнитом (часто в виде вставки).

Сверхпроводящие магниты широко используются в сканерах МРТ , ЯМР оборудовании , масс-спектрометрах , процессах магнитной сепарации и ускорителях частиц .

Железнодорожный транспорт

В Японии, после десятилетий исследований и разработок сверхпроводящих маглев, проводимых Японскими национальными железными дорогами , а затем и Центрально-Японской железнодорожной компанией (JR Central), японское правительство дало разрешение JR Central построить Тюо Синкансэн , связывающий Токио с Нагоей, а затем с Осакой.

Ускоритель частиц

Основные статьи: Ускоритель частиц и Большой адронный коллайдер

Одно из наиболее сложных применений магнитов SC — ускоритель частиц LHC . Его ниобий-титановые (Nb-Ti) магниты работают при температуре 1,9 К, что позволяет им безопасно работать при напряжении 8,3 Тл. Каждый магнит хранит 7 МДж. В общей сложности магниты запасают 10,4 ГДж . Один или два раза в день по мере ускорения протонов с 450 ГэВ до 7 ТэВ поле сверхпроводящих изгибающих магнитов увеличивается с 0,54 Тл до 8,3 Тл.

Термоядерный реактор

Основные статьи: Термоядерный реактор и ИТЭР

Центральный соленоид и сверхпроводящие магниты тороидального поля, разработанные для ИТЭР термоядерного реактора используют ниобий-олово (Nb ₃ , в качестве сверхпроводника Sn). Центральная соленоидная катушка пропускает ток силой 46 кА и создает магнитное поле силой 13,5 Тл. 18 катушек тороидального поля при максимальном поле 11,8 Тл хранят энергию 41 ГДж (всего?). Они были испытаны при рекордном токе 80 кА. Другие магниты ИТЭР с более низким полем (PF и CC) используйте ниобий-титан. Поле большинства магнитов ИТЭР меняется много раз в час.

Масс-спектрометр

В одном масс-спектрометре высокого разрешения планировалось использовать магнит SC мощностью 21 тесла.

См. также

• Ограничитель тока повреждения
• Перекачка флюса

Дальнейшее чтение

• Мартин Н. Уилсон, Сверхпроводящие магниты (монографии по криогенике) , Oxford University Press, новое издание (1987), ISBN   978-0-19-854810-2 .
• Юкиказу Иваса, Тематические исследования сверхпроводящих магнитов: проблемы проектирования и эксплуатации (отдельные темы сверхпроводимости) , Kluwer Academic / Plenum Publishers, (октябрь 1994 г.), ISBN   978-0-306-44881-2 .
• Хабибо Бречна, Сверхпроводящие магнитные системы , Нью-Йорк, Springer-Verlag New York, Inc., 1973, ISBN   3-540-06103-7 , ISBN   0-387-06103-7

Внешние ссылки

• Изготовление сверхпроводящих магнитов в Национальной лаборатории сильных магнитных полей
• 1986 г. Оценка NbTi и Nb3Sn для магнитов ускорителей частиц.