Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Схема сверхпроводящего магнита на 20 тесла с вертикальным отверстием

Сверхпроводящий магнит представляет собой электромагнит изготовлен 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 большие электрические токи, чем обычный провод, создавая сильные магнитные поля. Сверхпроводящие магниты могут создавать более сильные магнитные поля, чем все, кроме самых сильных несверхпроводящих электромагнитов, и могут быть дешевле в эксплуатации, поскольку энергия не рассеивается в виде тепла в обмотках. Они используются в МРТмашины в больницах и научное оборудование, такое как ЯМР- спектрометры, масс-спектрометры , термоядерные реакторы и ускорители частиц . Они также используются для левитации, наведения и движения в системе железных дорог с магнитной левитацией (маглев) , строящейся в Японии .

Строительство [ править ]

Охлаждение [ править ]

Во время работы обмотки магнита должны охлаждаться ниже своей критической температуры , температуры, при которой материал обмотки изменяется из нормального резистивного состояния и становится сверхпроводником . Обычно обмотки охлаждаются до температур, значительно ниже их критической температуры, потому что чем ниже температура, тем лучше работают сверхпроводящие обмотки - тем выше токи и магнитные поля, которые они могут выдерживать, не возвращаясь в свое несверхпроводящее состояние. Для поддержания температуры обмоток магнита, достаточной для поддержания сверхпроводимости, обычно используются два типа режимов охлаждения:

Жидкостное охлаждение [ править ]

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 для обмотки. Магнит и охлаждающая жидкость содержатся в термоизолированном контейнере ( дьюаре ), называемом криостатом . Чтобы гелий не выкипел, криостат обычно конструируется с внешней рубашкой, содержащей (значительно более дешевый) жидкий азот при 77 К. В качестве альтернативы, тепловой экран из проводящего материала, поддерживаемый в диапазоне температур 40-60 К, охлаждение проводящие соединения с холодной головкой криокулера размещены вокруг сосуда, заполненного гелием, чтобы поддерживать подвод тепла к последнему на приемлемом уровне. Одна из целей поискаВысокотемпературные сверхпроводники предназначены для создания магнитов, которые можно охлаждать только жидким азотом. При температурах выше примерно 20 К охлаждение может быть достигнуто без выкипания криогенных жидкостей. [ необходима цитата ]

Механическое охлаждение [ править ]

Из-за увеличения стоимости и уменьшения доступности жидкого гелия многие сверхпроводящие системы охлаждаются с использованием двухступенчатого механического охлаждения. Обычно используются два типа механических криокулеров, которые обладают достаточной охлаждающей способностью для поддержания температуры магнитов ниже их критической температуры. Криокулер Gifford-McMahon был коммерчески доступен с 1960-х годов и нашел широкое применение. Цикл регенератора GM в криокулере работает с использованием вытеснителя поршневого типа и теплообменника. В качестве альтернативы, 1999 год ознаменовал первое коммерческое применение криокулера с пульсирующей трубкой. Такая конструкция криохладителя становится все более распространенной из-за низкой вибрации и длительного интервала обслуживания, поскольку в конструкции импульсных трубок вместо механического смещения используется акустический процесс. Как правило, для двухступенчатых холодильников первая ступень будет обеспечивать более высокую охлаждающую способность, но при более высокой температуре ≈77 K, а вторая ступень - при ≈4,2 K и мощности охлаждения <2,0 Вт. При использовании первая ступень используется в основном для дополнительного охлаждения криостата, а вторая ступень используется в основном для охлаждения магнита.

Материалы обмотки катушки [ править ]

Максимальное магнитное поле, достижимое в сверхпроводящем магните, ограничено полем, при котором материал обмотки перестает быть сверхпроводящим, его «критическим полем» H c , которое для сверхпроводников типа II 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 ниобий-титана . Этот материал имеет критическую температуру 10 кельвинов и может сверхпроводить при температуре до 15 тесла . Более дорогие магниты могут быть изготовлены из ниобия-олова (Nb 3 Sn). Они имеют T c, равную 18 K. При работе при 4,2 K они способны выдерживать гораздо более высокую напряженность магнитного поля , до 25–30 тесла. К сожалению, из этого материала сделать нужные нити намного сложнее. Вот почему иногда комбинация Nb 3Используется Sn для высокопольных секций и NbTi для низкопольных секций. 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 выше, чем может выдержать Nb 3 Sn. [ необходима цитата ] BSCCO, YBCO или диборид магния также могут использоваться для токоподводов, проводящих большие токи от комнатной температуры в холодный магнит без сопутствующей большой утечки тепла из резистивных проводов. [ необходима цитата ]

Конструкция проводника [ править ]

Обмотки катушки сверхпроводящего магнита изготовлены из проводов или лент сверхпроводников типа II (например, ниобий-титан или ниобий-олово ). Сама проволока или лента могут быть сделаны из крошечных нитей ( толщиной около 20 микрометров ) сверхпроводника в медной матрице. Медь необходима для придания механической устойчивости и обеспечения пути с низким сопротивлением для больших токов в случае, если температура поднимается выше T c или ток превышает I c, и сверхпроводимость теряется. Эти нитидолжен быть таким малым, потому что в этом типе сверхпроводника ток течет только в поверхностном слое, толщина которого ограничена глубиной лондонского проникновения . (См. Скин-эффект ) Катушка должна быть тщательно спроектирована, чтобы выдерживать (или противодействовать) магнитному давлению и силам Лоренца, которые в противном случае могли бы вызвать разрыв провода или раздавливание изоляции между соседними витками.

Операция [ править ]

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

Источник питания [ править ]

Тока на обмотки катушки обеспечивается высоким током, очень низкого напряжения постоянного тока источника питания , так как в стационарном состоянии только напряжение магнита происходит из - за сопротивления питающих проводов. Любое изменение тока через магнит должно производиться очень медленно, во-первых, потому что электрически магнит представляет собой большую катушку индуктивности, и резкое изменение тока приведет к большому скачку напряжения на обмотках, и, что более важно, потому что быстрые изменения тока могут вызвать завихрение. токии механические напряжения в обмотках, которые могут вызвать закалку (см. ниже). Таким образом, источник питания обычно управляется микропроцессором и запрограммирован на постепенное изменение тока с плавным нарастанием. Обычно для включения или выключения магнита лабораторных размеров требуется несколько минут.

Постоянный режим [ править ]

Альтернативный режим работы, используемый большинством сверхпроводящих магнитов, заключается в коротком замыкании обмоток с помощью куска сверхпроводника после подачи питания на магнит. Обмотки превращаются в замкнутый сверхпроводящий контур, источник питания можно отключить, а постоянные токи будут течь месяцами, сохраняя магнитное поле. Преимущество этого постоянного режима заключается в том, что стабильность магнитного поля лучше, чем это достигается с помощью лучших источников питания, и для питания обмоток не требуется энергии. Короткое замыкание осуществляется «постоянным переключателем», частью сверхпроводника внутри магнита, соединенного поперек концов обмотки, прикрепленного к небольшому нагревателю. [1]При первом включении магнита провод переключателя нагревается выше температуры перехода, поэтому он является резистивным. Поскольку сама обмотка не имеет сопротивления, ток через провод переключателя не течет. Для перехода в постоянный режим регулируют ток питания до получения нужного магнитного поля, затем отключают нагреватель. Постоянный переключатель охлаждается до сверхпроводящей температуры, замыкая обмотки. Затем блок питания можно отключить. Ток в обмотке и магнитное поле не будут существовать вечно, а будут медленно затухать в соответствии с нормальной индуктивной (L / R) постоянной времени:

где - 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 [ править ]

Гашение - это ненормальное прекращение работы магнита, которое происходит, когда часть сверхпроводящей катушки переходит в нормальное ( резистивное ) состояние. Это может произойти , потому что поле внутри магнита слишком велико, то скорость изменения поля является слишком большой ( в результате чего вихревых токов и результирующее нагревание в матрице поддержки меди), или комбинация из двух. Реже дефект магнита может вызвать закалку. Когда это происходит, это конкретное пятно подвергается быстрому джоулева нагреву от огромного тока, который повышает температуру.окружающих регионов. Это также переводит эти области в нормальное состояние, что приводит к большему нагреву в цепной реакции. Весь магнит быстро становится нормальным (это может занять несколько секунд, в зависимости от размера сверхпроводящей катушки). Это сопровождается громким треском, поскольку энергия магнитного поля преобразуется в тепло, и быстрое выкипание криогенного газа.жидкость. Резкое уменьшение тока может привести к выбросам индуктивного напряжения в киловольтах и ​​возникновению дуги. Необратимые повреждения магнита случаются редко, но компоненты могут быть повреждены локальным нагревом, высоким напряжением или большими механическими силами. На практике магниты обычно имеют предохранительные устройства для остановки или ограничения тока при обнаружении начала гашения. Если большой магнит подвергается гашению, инертный пар, образованный испаряющейся криогенной жидкостью, может представлять значительную опасность удушья для операторов из-за вытеснения пригодного для дыхания воздуха.

Большая часть сверхпроводящих магнитов в CERN «s Большой адронный коллайдер неожиданно гас во время пуско-наладочных в 2008 году, что требует замены ряда магнитов. [2]Для предотвращения потенциально деструктивных тушений сверхпроводящие магниты, которые образуют LHC, оснащены нагревателями с быстрым линейным изменением, которые активируются, как только событие тушения обнаруживается сложной системой тушения. Поскольку дипольные поворотные магниты соединены последовательно, каждая силовая цепь включает в себя 154 отдельных магнита, и в случае возникновения гашения вся объединенная накопленная энергия этих магнитов должна быть немедленно сброшена. Эта энергия передается в свалки, которые представляют собой массивные металлические блоки, которые нагреваются до нескольких сотен градусов Цельсия из-за резистивного нагрева за считанные секунды. Хотя это и нежелательно, гашение магнита является «довольно обычным явлением» во время работы ускорителя частиц. [3]

Магнит "тренировочный" [ править ]

В некоторых случаях сверхпроводящие магниты, рассчитанные на очень высокие токи, требуют обширной приработки, чтобы магниты могли функционировать при их полностью запланированных токах и полях. Это называется «тренировкой» магнита и включает в себя эффект материальной памяти. Одна из ситуаций , это требуется случай коллайдеров частиц , таких как ЦЕРН «ы Большого адронного коллайдера . [4] [5] Планировалось, что магниты LHC будут работать при 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 на пучок соответственно. Из-за начальных кристаллографических дефектовв материале они изначально теряют свою сверхпроводящую способность ("гашение") на более низком уровне, чем их расчетный ток. ЦЕРН заявляет, что это происходит из-за электромагнитных сил, вызывающих крошечные движения магнитов, которые, в свою очередь, вызывают потерю сверхпроводимости при работе с высокой точностью, необходимой для их запланированного тока. [5] Путем многократного запуска магнитов при более низком токе и затем небольшого увеличения тока до тех пор, пока они не гаснут под контролем, магнит постепенно приобретет необходимую способность выдерживать более высокие токи, предусмотренные его проектной спецификацией, без возникновения гашения, и будет иметь любые такие проблемы «вытряхиваются» из них до тех пор, пока они в конечном итоге не смогут надежно работать при полном запланированном токе, не испытывая гашений.[5]

История [ править ]

Хотя идея создания электромагнитов из сверхпроводящего провода была предложена Хайке Камерлинг-Оннесом вскоре после того, как он обнаружил сверхпроводимость в 1911 году, практический сверхпроводящий электромагнит должен был дождаться 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. [6] Затем, в 1961 году, Дж. Э. Кунцлер, Э. Бюлер, ФСЛ Хсу и Дж. Верник сделали открытие. что соединение ниобия и олова может поддерживать критическую плотность сверхтока более 100 000 ампер на квадратный сантиметр в магнитных полях 8,8 тесла. [7] Несмотря на свою хрупкую природу, ниобий-олово с тех пор оказался чрезвычайно полезным в супермагнетиках, генерирующих магнитные поля до 20 тесла.

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 RD Lichti в 1963 году. Он хранился в витрине в UF Physics Building.

В 1962 году Т.Г. Берлинкур и Р.Р. Хейк [8] открыли свойства ниобий-титановых сплавов с высоким критическим магнитным полем и высокой плотностью сверхкритического сверхтока. Хотя ниобий-титановые сплавы обладают менее впечатляющими сверхпроводящими свойствами, чем ниобий-олово, они очень пластичны, легко производятся и экономичны. Сплавы ниобия с титаном, используемые в супермагнетиках, генерирующих магнитные поля до 10 тесла, являются наиболее широко используемыми материалами для супермагнитов.

В 1986 годе , открытие высокотемпературных сверхпроводников по Беднорцу и Карл Мюллеру под напряжение поля, в результате чего возможности магнитов , которые могут быть охлаждаемой жидким азотом вместо более трудного для работы-с гелием.

В 2007 году магнит с обмотками из YBCO достиг мирового рекорда поля 26,8 тесла . [9] Национальный исследовательский совет США имеет цель создания 30-Тл сверхпроводящий магнит.

В 2017 году магнит YBCO, созданный Национальной лабораторией сильного магнитного поля (NHMFL), побил предыдущий мировой рекорд с силой 32 Тл. Это полностью сверхпроводящий пользовательский магнит, рассчитанный на срок службы в течение многих десятилетий. Они удерживают текущий рекорд по состоянию на март 2018 года.

В 2019 году NHMFL также разработала неизолированную испытательную катушку YBCO, которая побила собственный мировой рекорд лаборатории по самому высокому постоянному магнитному полю для любой конфигурации магнита при 45,5 Тл [10] [11]


Использует [ редактировать ]

Аппарат МРТ, в котором используется сверхпроводящий магнит. Магнит находится внутри корпуса в форме пончика и может создавать поле величиной 3 тесла внутри центрального отверстия.

Сверхпроводящие магниты имеют ряд преимуществ перед резистивными электромагнитами. Они могут генерировать магнитные поля, которые в десять раз сильнее, чем те, которые генерируются обычными электромагнитами с ферромагнитным сердечником., которые ограничены полем около 2 Тл. Поле обычно 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. Самое главное, что для больших магнитов они могут потреблять гораздо меньше энергии. В постоянном состоянии (см. Выше) магнит потребляет только мощность, необходимую для любого холодильного оборудования для поддержания криогенной температуры. Однако более высокие поля могут быть достигнуты с помощью специальных охлаждаемых резистивных электромагнитов, поскольку сверхпроводящие катушки переходят в нормальное (несверхпроводящее) состояние (см. Гашение выше) при высоких полях. Устойчивые поля более 40 Тл теперь могут быть достигнуты многими учреждениями по всему миру, обычно путем комбинирования электромагнита Горького. со сверхпроводящим магнитом (часто в виде вставки).

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

В Японии после десятилетий исследований и разработок сверхпроводящего маглев, проводимых Японскими национальными железными дорогами, а затем и Центральной японской железнодорожной компанией (JR Central), японское правительство разрешило JR Central построить Chū Shinkansen , соединяющий Токио с Нагойей, а затем с Осакой.

Одно из самых сложных применений SC-магнитов - это ускоритель частиц LHC . [12] ниобий-титан (Nb-Ti) Магниты работают при 1.9 K , чтобы позволить им безопасно запустить на 8.3 T. Каждый магнит хранит 7 МДж. Всего на магнитах хранится 10,4 гигаджоулей (2,5 тонны в тротиловом эквиваленте). Один или два раза в день, когда протоны ускоряются с 450 ГэВ до 7 ТэВ, поле сверхпроводящих поворотных магнитов будет увеличиваться с 0,54 Тл до 8,3 Тл.

Центральный соленоид и сверхпроводящие магниты тороидального поля, разработанные для термоядерного реактора ИТЭР, используют ниобий-олово (Nb 3 Sn) в качестве сверхпроводника. Катушка центрального соленоида выдерживает 46 кА и создает поле 13,5 тесла. 18 катушек тороидального поля при максимальном поле 11,8 Тл сохранят 41 ГДж (всего?). [ требуется пояснение ] Они были испытаны при рекордной мощности 80 кА. Другие магниты ИТЭР с более низким полем (PF и CC) будут использовать ниобий-титан . Поле большинства магнитов ИТЭР будет изменяться много раз в час.

В одном масс-спектрометре высокого разрешения планируется использовать СК магнитом 21 тесла. [13]

В мировом масштабе в 2014 году экономическая деятельность на сумму около пяти миллиардов евро стала результатом незаменимой сверхпроводимости. [14] На системы МРТ, в большинстве из которых используется ниобий-титан, приходится около 80% от общего количества.

См. Также [ править ]

  • Ограничитель тока повреждения
  • Прокачка флюса

Ссылки [ править ]

  1. ^ 1. Адамс, ED; Гудкинд, Дж. М. (1963) "Криостат для исследований при температурах ниже 0,02 К." Криогеника 3 , 83 (1963)
  2. ^ «Промежуточный сводный отчет по анализу инцидента 19 сентября 2008 г. на LHC» (PDF) . ЦЕРН.
  3. ^ Петерсон, Том. «Объясни это за 60 секунд: Magnet Quench» . Журнал Симметрия . Фермилаб / SLAC . Проверено 15 февраля 2013 года .
  4. ^ Перезапуск LHC: почему 13 ТэВ? | ЦЕРН . Home.web.cern.ch. Проверено 19 декабря 2015.
  5. ^ a b c Первые магниты LHC подготовлены к перезапуску . журнал симметрии. Проверено 19 декабря 2015.
  6. ^ Yntema, GB (1955). «Сверхпроводящая обмотка для электромагнитов». Физический обзор . APS. 98 : 1197. Bibcode : 1955PhRv ... 98.1144. . DOI : 10.1103 / PhysRev.98.1144 .
  7. ^ Kunzler, JE; Buehler, E .; Hsu, FSL; Верник, Дж. Х. (1961). «Сверхпроводимость в Nb 3 Sn при высокой плотности тока в магнитном поле 88 килогаусс». Письма с физическим обзором . APS. 6 (5): 890. Полномочный код : 1961PhRvL ... 7..215K . DOI : 10.1103 / physrevlett.7.215 .
  8. ^ Berlincourt, TG; Хейк, Р.Р. (1962). «Исследования сверхпроводящих сплавов переходных металлов в импульсном магнитном поле при высоких и низких плотностях тока». Бюллетень Американского физического общества . APS. II (7): 408.
  9. ^ "Новый отчет лаборатории магнита обещает еще больше появиться" . Выпуск новостей . Национальная лаборатория сильного магнитного поля, США. 7 августа 2007 . Проверено 23 октября 2008 .
  10. ^ Larbalestier, Дэвид (12 июня 2019). «С помощью мини-магнита National MagLab создает магнитное поле мирового рекорда» . Выпуск новостей . Национальная лаборатория сильного магнитного поля, США . Проверено 31 июля 2020 .
  11. ↑ Хан, С. (12 июня 2019 г.). «Магнитное поле постоянного тока мощностью 45,5 тесла, создаваемое высокотемпературным сверхпроводящим магнитом» . Журнальная статья . Природа. 570 (7762): 496–499. DOI : 10.1038 / s41586-019-1293-1 . PMID 31189951 . S2CID 186207595 . Проверено 31 июля 2020 .  
  12. ^ Операционные проблемы LHC . cea.fr
  13. ^ "Компания Bruker Daltonics выбрана для создания первого в мире магнита FT-ICR 21,0 Тесла" . 29 октября 2010 г.
  14. ^ «Конектус - Рынок» . www.conectus.org . Проверено 22 июня 2015 .

Дальнейшее чтение [ править ]

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

Внешние ссылки [ править ]

  • Изготовление сверхпроводящих магнитов из Национальной лаборатории сильного магнитного поля
  • 1986 оценка NbTi и Nb3Sn для магнитов ускорителей частиц.