Magnes nadprzewodzący - Superconducting magnet

Schemat magnesu nadprzewodzącego 20 tesli z otworem pionowym

Nadprzewodzącego magnesu jest elektromagnes wykonany z cewkami nadprzewodzącego drutu . Podczas pracy muszą być schładzane do temperatur kriogenicznych . W stanie nadprzewodzącym drut nie ma oporu elektrycznego i dlatego może przewodzić znacznie większe prądy elektryczne niż zwykły drut, tworząc intensywne pola magnetyczne. Magnesy nadprzewodzące mogą wytwarzać większe pola magnetyczne niż wszystkie, z wyjątkiem najsilniejszych elektromagnesów nieprzewodzących i mogą być tańsze w eksploatacji, ponieważ żadna energia nie jest rozpraszana w postaci ciepła w uzwojeniach. Stosowane są w aparatach MRI w szpitalach oraz w sprzęcie naukowym takim jak spektrometry NMR, spektrometry masowe , reaktory termojądrowe i akceleratory cząstek . Są również używane do lewitacji, naprowadzania i napędu w systemie kolei magnetycznej lewitacji (maglev) budowanym w Japonii .

Budowa

Chłodzenie

Podczas pracy uzwojenia magnesów muszą zostać schłodzone poniżej ich temperatury krytycznej, temperatury , w której materiał uzwojenia zmienia się z normalnego stanu rezystancyjnego i staje się nadprzewodnikiem . Zwykle uzwojenia są schładzane do temperatur znacznie poniżej ich temperatury krytycznej, ponieważ im niższa temperatura, tym lepiej pracują uzwojenia nadprzewodzące - tym wyższe prądy i pola magnetyczne mogą wytrzymać bez powrotu do stanu nieprzewodzącego. Powszechnie stosuje się dwa rodzaje reżimów chłodzenia, aby utrzymać uzwojenia magnesów w temperaturach wystarczających do utrzymania nadprzewodnictwa:

Chłodzony cieczą

Ciekły hel jest używany jako chłodziwo w wielu uzwojeniach nadprzewodzących. Ma temperaturę wrzenia 4,2 K, znacznie poniżej temperatury krytycznej większości materiałów uzwojenia. Magnes i chłodziwo znajdują się w izolowanym termicznie pojemniku ( dewar ) zwanym kriostatem . Aby hel nie dopadł wrzenia, kriostat jest zwykle zbudowany z płaszczem zewnętrznym zawierającym (znacznie tańszy) ciekły azot o temperaturze 77 K. Alternatywnie, ekran termiczny wykonany z materiału przewodzącego i utrzymywany w zakresie temperatur 40 K-60 K, chłodzony przez przewodzące połączenia z zimną głowicą chłodnicy kriogenicznej są umieszczone wokół naczynia wypełnionego helem, aby utrzymać dopływ ciepła do tego ostatniego na akceptowalnym poziomie. Jednym z celów poszukiwań nadprzewodników wysokotemperaturowych jest zbudowanie magnesów, które mogą być chłodzone samym ciekłym azotem. W temperaturach powyżej około 20 K chłodzenie można osiągnąć bez wygotowywania cieczy kriogenicznych.

Chłodzenie mechaniczne

Ze względu na rosnące koszty i malejącą dostępność ciekłego helu wiele systemów nadprzewodzących jest chłodzonych za pomocą dwustopniowego chłodzenia mechanicznego. Ogólnie stosuje się dwa typy mechanicznych chłodnic kriogenicznych, które mają wystarczającą moc chłodzenia, aby utrzymać magnesy poniżej ich temperatury krytycznej. Chłodnica Gifford-McMahon Cryocooler jest dostępna na rynku od lat 60. XX wieku i znalazła szerokie zastosowanie. Cykl regeneratora GM w chłodnicy kriogenicznej działa z wykorzystaniem wypieracza tłokowego i wymiennika ciepła. Alternatywnie, rok 1999 oznaczał pierwsze komercyjne zastosowanie wykorzystujące chłodnicę kriogeniczną z lampą pulsacyjną . Ta konstrukcja chłodnicy kriogenicznej staje się coraz bardziej powszechna ze względu na niskie wibracje i długie okresy międzyobsługowe, ponieważ konstrukcje rur impulsowych wykorzystują proces akustyczny zamiast przemieszczania mechanicznego. Typowe dla chłodziarek dwustopniowych, pierwszy stopień będzie oferował wyższą wydajność chłodzenia, ale przy wyższej temperaturze ≈77 K, a drugi stopień przy ≈4,2 K i <2,0 watów mocy chłodniczej. Podczas użytkowania, pierwszy stopień służy głównie do dodatkowego chłodzenia kriostatu, a drugi stopień służy głównie do chłodzenia magnesu.

Materiały uzwojenia cewki

Maksymalne osiągalne pole magnetyczne magnesu nadprzewodzącego, jest ograniczona przez pole, na którym zwijania materiału przestaje być nadprzewodzącym jego krytycznym zakresie „”, H , c , które dla typu II nadprzewodników jest jej górny obszar krytyczny . Innym czynnikiem ograniczającym jest „prąd krytyczny” I c , przy którym materiał uzwojenia również przestaje być nadprzewodnikiem. Postępy w dziedzinie magnesów skupiały się na tworzeniu lepszych materiałów do nawijania.

Nadprzewodzące części większości obecnych magnesów składają się z niobu i tytanu . Materiał ten ma temperaturę krytyczną 10 kelwinów i może nadprzewodnictwo przy temperaturze do około 15 tesli . Droższe magnesy mogą być wykonane z niobu i cyny (Nb 3 Sn). Mają one T c 18 K. Działając przy 4,2 K są w stanie wytrzymać znacznie większe natężenie pola magnetycznego , do 25 do 30 tesli. Niestety, wykonanie wymaganych włókien z tego materiału jest znacznie trudniejsze. Dlatego czasami stosuje się kombinację Nb 3 Sn dla sekcji wysokiego pola i NbTi dla sekcji dolnego pola. Wanad-gal to kolejny materiał używany do produkcji wkładów o dużym polu.

Nadprzewodniki wysokotemperaturowe (np. BSCCO lub YBCO ) mogą być stosowane we wkładkach o wysokim natężeniu pola, gdy wymagane pola magnetyczne są wyższe niż może obsłużyć Nb 3 Sn. BSCCO, YBCO lub dwuborek magnezu mogą być również stosowane do przewodów prądowych, przewodzących wysokie prądy z temperatury pokojowej do magnesu zimna bez towarzyszącego mu dużego wycieku ciepła z przewodów rezystancyjnych.

Struktura przewodnika

Uzwojenia cewki magnesu nadprzewodzącego są wykonane z drutów lub taśm z nadprzewodników typu II (np. Niob-tytan lub niob-cyna ). Sam drut lub taśma może być wykonany z drobnych włókien (o grubości około 20 mikrometrów ) nadprzewodnika w matrycy miedzianej . Konieczna jest miedź, aby zwiększyć stabilność mechaniczną, a w celu zapewnienia niskiej rezystancji o dużych prądów w przypadku, gdy temperatura rośnie powyżej T, C lub prąd rośnie powyżej I c i nadprzewodnictwa jest tracona. Włókna te muszą być tak małe, ponieważ w tego typu nadprzewodnikach prąd płynie tylko w warstwie powierzchniowej, której grubość jest ograniczona do głębokości penetracji Londynu . (Zobacz efekt naskórkowania ) Cewka musi być starannie zaprojektowana, aby wytrzymać (lub przeciwdziałać) ciśnieniu magnetycznemu i siłom Lorentza, które w przeciwnym razie mogłyby spowodować pęknięcie drutu lub zgniecenie izolacji między sąsiednimi zwojami.

Operacja

Magnes nadprzewodzący z otworem poziomym 7 T , część spektrometru mas. Sam magnes znajduje się wewnątrz cylindrycznego kriostatu.

Zasilacz

Prąd do uzwojenia cewki zapewniają wysoki prąd, bardzo niskiego napięcia prądu stałego źródła zasilania , ponieważ w stanie stacjonarnym tylko napięcie na magnes jest ze względu na opór przewodów zasilających. Każda zmiana prądu płynącego przez magnes musi być wykonywana bardzo powoli, po pierwsze, ponieważ pod względem elektrycznym magnes jest dużą cewką indukcyjną, a nagła zmiana prądu spowoduje duży skok napięcia na uzwojeniach, a co ważniejsze, ponieważ szybkie zmiany prądu mogą powodować wirowanie prądy i naprężenia mechaniczne w uzwojeniach, które mogą powodować oziębienie (patrz poniżej). Tak więc zasilacz jest zwykle sterowany mikroprocesorem, zaprogramowany tak, aby dokonywał zmian prądu stopniowo, z łagodnymi wzrostami. Zwykle włączanie lub wyłączanie zasilania magnesu o wielkości laboratoryjnej zajmuje kilka minut.

Tryb trwały

Alternatywnym trybem pracy używanym przez większość magnesów nadprzewodzących jest zwarcie uzwojeń kawałkiem nadprzewodnika po włączeniu magnesu. Uzwojenia stają się zamkniętą pętlą nadprzewodzącą, można wyłączyć zasilanie, a trwałe prądy będą płynąć miesiącami, zachowując pole magnetyczne. Zaletą tego trybu trwałego jest to, że stabilność pola magnetycznego jest lepsza niż w przypadku najlepszych zasilaczy, a do zasilania uzwojeń nie jest potrzebna żadna energia. Zwarcie jest wywoływane przez „trwały przełącznik”, czyli kawałek nadprzewodnika wewnątrz magnesu, połączony na końcach uzwojenia, przymocowany do małej grzałki. Kiedy magnes jest włączany po raz pierwszy, przewód przełącznika nagrzewa się powyżej jego temperatury przejścia, więc jest rezystancyjny. Ponieważ samo uzwojenie nie ma rezystancji, przez przewód przełącznika nie płynie prąd. Aby przejść do trybu trwałego, prąd zasilania jest regulowany do uzyskania żądanego pola magnetycznego, a następnie grzejnik jest wyłączany. Trwały przełącznik ochładza się do temperatury nadprzewodzącej, powodując zwarcie uzwojeń. Następnie można wyłączyć zasilanie. Prąd uzwojenia i pole magnetyczne nie będą w rzeczywistości trwać wiecznie, ale będą zanikać powoli zgodnie z normalną indukcyjną stałą czasową (L / R):

gdzie jest mała rezystancja szczątkowa w uzwojeniach nadprzewodzących z powodu połączeń lub zjawiska zwanego oporem ruchu strumienia. Prawie wszystkie dostępne na rynku magnesy nadprzewodzące są wyposażone w trwałe przełączniki.

Chłodzenie magnesu

Gaszenie to nieprawidłowe zakończenie działania magnesu, które występuje, gdy część cewki nadprzewodzącej wchodzi w stan normalny ( rezystancyjny ). Może się tak zdarzyć, ponieważ pole wewnątrz magnesu jest zbyt duże, szybkość zmian pola jest zbyt duża (powodując prądy wirowe i wynikające z nich ogrzewanie w miedzianej matrycy nośnej) lub ich kombinacją. Rzadziej defekt magnesu może powodować hartowanie. Kiedy tak się dzieje, to miejsce jest narażone na gwałtowne nagrzewanie się dżuli z ogromnego prądu, który podnosi temperaturę w otaczających regionach. To popycha te regiony również do normalnego stanu, co prowadzi do większego ogrzewania w reakcji łańcuchowej. Cały magnes szybko wraca do normy (może to zająć kilka sekund, w zależności od rozmiaru cewki nadprzewodzącej). Towarzyszy temu głośny huk, gdy energia w polu magnetycznym jest zamieniana na ciepło i gwałtowne odparowanie cieczy kriogenicznej . Gwałtowny spadek prądu może spowodować indukcyjne skoki napięcia i wyładowania łukowe o wartości kilowoltów. Trwałe uszkodzenie magnesu jest rzadkie, ale elementy mogą zostać uszkodzone przez miejscowe nagrzewanie, wysokie napięcie lub duże siły mechaniczne. W praktyce magnesy zwykle mają urządzenia zabezpieczające, które zatrzymują lub ograniczają prąd w przypadku wykrycia początku gaszenia. Jeśli duży magnes zostanie schłodzony, obojętna para utworzona przez parujący płyn kriogeniczny może stanowić poważne zagrożenie uduszenia operatorów przez wypieranie powietrza do oddychania.

Znaczna część magnesy nadprzewodzące w CERN jest Wielki Zderzacz Hadronów niespodziewanie przerwano podczas operacji start-up w 2008 roku, co wymaga wymiany szeregu magnesów. W celu złagodzenia potencjalnie destrukcyjnych wygaszeń, nadprzewodzące magnesy, które tworzą LHC, są wyposażone w szybko nagrzewające się grzałki, które są aktywowane po wykryciu zdarzenia oziębienia przez złożony system ochrony przed hartowaniem. Ponieważ magnesy zginające dipol są połączone szeregowo, każdy obwód mocy zawiera 154 oddzielne magnesy, a jeśli wystąpi zdarzenie wygaszania, cała połączona energia zgromadzona w tych magnesach musi zostać zrzucona na raz. Ta energia jest przenoszona do wysypisk, które są masywnymi blokami metalu, które nagrzewają się do kilkuset stopni Celsjusza z powodu ogrzewania rezystancyjnego w ciągu kilku sekund. Chociaż jest niepożądane, wygaszanie magnesu jest „dość rutynowym zdarzeniem” podczas działania akceleratora cząstek.

„Trening” magnesu

W niektórych przypadkach magnesy nadprzewodzące zaprojektowane dla bardzo wysokich prądów wymagają intensywnego wtopienia, aby magnesy mogły działać przy ich pełnych planowanych prądach i polach. Nazywa się to „treningiem” magnesu i wiąże się z rodzajem efektu pamięci materialnej. Jedna sytuacja ta jest wymagana jest w przypadku zderzaczy cząstek , takich jak CERN jest Wielki Zderzacz Hadronów . Magnesy LHC planowano do pracy przy 8 TeV (2 × 4 TeV) w pierwszym biegu i 14 TeV (2 × 7 TeV) w drugim biegu, ale początkowo działały przy niższej energii 3,5 TeV i 6,5 TeV na belkę odpowiednio. Z powodu początkowych defektów krystalograficznych w materiale, początkowo stracą one swoją zdolność do nadprzewodnictwa („wygaszania”) na poziomie niższym niż ich prąd projektowy. CERN twierdzi, że jest to spowodowane siłami elektromagnetycznymi powodującymi drobne ruchy magnesów, które z kolei powodują utratę nadprzewodnictwa podczas pracy z dużą dokładnością wymaganą dla planowanego prądu. Poprzez wielokrotne uruchamianie magnesów przy niższym prądzie, a następnie nieznaczne zwiększanie prądu, aż do ich tłumienia pod kontrolą, magnes stopniowo uzyska wymaganą zdolność do wytrzymywania wyższych prądów zgodnie z jego specyfikacją konstrukcyjną bez pojawiania się tłumienia, a także będzie miał takie problemy „wstrząśnięte „z nich, dopóki nie będą w stanie ostatecznie działać niezawodnie przy pełnym planowanym prądzie bez doświadczania wygaszania.

Historia

Chociaż pomysł wytwarzania elektromagnesów z drutem nadprzewodzącym został zaproponowany przez Heike Kamerlingh Onnes wkrótce po odkryciu nadprzewodnictwa w 1911 r., Praktyczny elektromagnes nadprzewodzący musiał poczekać na odkrycie materiałów nadprzewodzących, które mogłyby wspierać duże krytyczne gęstości nadprądów w wysokich polach magnetycznych. Pierwsze udane nadprzewodzącego magnesu był zbudowany przez GB Yntema 1955 pomocą niobu przewód i uzyskuje pole T 0,7 4,2 K. Następnie, 1961 JE Kunzler E. Buehler, FSL Hsu i JH Wernick dokonał odkrycia, że związek niobu i cyny może wytrzymać krytyczne gęstości nadprądowe większe niż 100 000 amperów na centymetr kwadratowy w polach magnetycznych 8,8 teslasu. Pomimo swojej kruchości, niob-cyna okazała się niezwykle przydatna w supermagnesach wytwarzających pola magnetyczne do 20 tesli.

Trwały przełącznik został wynaleziony w 1960 roku przez Dwighta Adamsa, który był adiunktem na Uniwersytecie Stanforda. Drugi trwały przełącznik został skonstruowany na University of Florida przez studenta MS RD Lichti w 1963 roku. Został on zachowany w gablocie w budynku UF Physics Building.

W 1962 roku TG Berlincourt i RR Hake odkryli właściwości stopów niobowo-tytanowych w zakresie wysokiej krytycznej gęstości pola magnetycznego i wysokiej krytycznej gęstości nadprądowej. Chociaż stopy niobowo-tytanowe mają mniej spektakularne właściwości nadprzewodzące niż niobowo-cynowe, są bardzo plastyczne, łatwe w obróbce i ekonomiczne. Przydatne w supermagnesach wytwarzających pola magnetyczne do 10 tesli, stopy niobu i tytanu są najczęściej używanymi materiałami na supermagnes.

W 1986 r. Odkrycie nadprzewodników wysokotemperaturowych przez Georga Bednorza i Karla Müllera pobudziło pole, zwiększając możliwość chłodzenia magnesów ciekłym azotem zamiast trudniejszego w obróbce helem.

W 2007 roku magnes z uzwojeniami YBCO osiągnął rekord świata w polu 26,8 teslasu . Celem Amerykańskiej Narodowej Rady ds. Badań jest stworzenie magnesu nadprzewodzącego o mocy 30 tesli.

W 2017 roku magnes YBCO stworzony przez National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) pobił poprzedni rekord świata z siłą 32 T. Jest to całkowicie nadprzewodzący magnes użytkownika, zaprojektowany na wiele dziesięcioleci. Posiadają aktualny rekord z marca 2018 roku.

W 2019 roku NHMFL opracował również nieizolowaną cewkę testową YBCO, która pobiła własny rekord laboratorium w zakresie najwyższego ciągłego pola magnetycznego dla dowolnej konfiguracji magnesu o masie 45,5 T.


Używa

Urządzenie do rezonansu magnetycznego wykorzystujące magnes nadprzewodzący. Magnes znajduje się wewnątrz obudowy w kształcie pierścienia i może wytworzyć pole o wartości 3 tesli wewnątrz centralnego otworu.

Magnesy nadprzewodzące mają wiele zalet w porównaniu z elektromagnesami rezystancyjnymi . Mogą generować pola magnetyczne, które są nawet dziesięciokrotnie silniejsze niż te generowane przez zwykłe elektromagnesy z rdzeniem ferromagnetycznym , które są ograniczone do pól o wartości około 2 T. Pole jest ogólnie bardziej stabilne, co skutkuje mniej zaszumionymi pomiarami. Mogą być mniejsze, a obszar w środku magnesu, w którym powstaje pole, jest raczej pusty niż zajmowany przez żelazny rdzeń. Co najważniejsze, w przypadku dużych magnesów mogą one zużywać znacznie mniej energii. W stanie trwałym (powyżej) jedyną mocą jaką zużywa magnes jest ta potrzebna do utrzymania temperatury kriogenicznej przez sprzęt chłodniczy. Wyższe pola można jednak uzyskać za pomocą specjalnych chłodzonych elektromagnesów rezystancyjnych, ponieważ cewki nadprzewodzące wejdą w stan normalny (nieprzewodzący) (patrz hartowanie powyżej) przy dużych polach. Stałe pola powyżej 40 T mogą być obecnie osiągane przez wiele instytucji na całym świecie, zwykle poprzez połączenie elektromagnesu gorzkiego z magnesem nadprzewodzącym (często jako wkładka).

Magnesy nadprzewodzące są szeroko stosowane w maszynach do rezonansu magnetycznego , sprzęcie NMR , spektrometrach mas , procesach separacji magnetycznej i akceleratorach cząstek .

W Japonii, po dziesięcioleciach badań i rozwoju nadprzewodzącego maglevu przez Japońskie Koleje Narodowe, a później Centralne Towarzystwo Kolei Japońskich (JR Central), japoński rząd zezwolił JR Central na budowę Chūō Shinkansen , łączącego Tokio z Nagoyą, a później z Osaką.

Jednym z najtrudniejszych zastosowań magnesów SC jest akcelerator cząstek LHC . Niobu, tytanu (Ti) Nb magnesy działają 1,9 K, aby mogły w sposób bezpieczny 8,3 T. POSZCZEGÓLNYCH przechowuje Magnet 7 MJ. Łącznie magnesy przechowują 10,4 gigadżuli (2,5 tony trotylu). Raz lub dwa razy dziennie, gdy protony są przyspieszane z 450 GeV do 7 TeV, pole nadprzewodzących magnesów zginających wzrośnie z 0,54 T do 8,3 T.

Centralne magnesy nadprzewodzące w postaci cewki i pola toroidalnego zaprojektowane dla reaktora termojądrowego ITER wykorzystują niob-cynę (Nb 3 Sn) jako nadprzewodnik. Cewka centralnego elektromagnesu będzie przenosić 46 kA i wytwarzać pole 13,5 teslasu. 18 cewek pola toroidalnego przy maksymalnym polu 11,8 T pomieści 41 GJ (łącznie?). Zostały przetestowane przy rekordowym 80 kA. Inne magnesy ITER o niższym polu (PF i CC) będą wykorzystywać niob i tytan . Pole większości magnesów ITER będzie się zmieniać wielokrotnie na godzinę.

Planuje się, że jeden wysokorozdzielczy spektrometr mas będzie używał 21-tesli magnesu SC.

Na całym świecie w 2014 r. Działalność gospodarcza o wartości około pięciu miliardów euro była wynikiem działalności gospodarczej, z której nadprzewodnictwo jest nieodzowne. Systemy rezonansu magnetycznego, z których większość wykorzystuje niob i tytan, stanowiły około 80% tej całości.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

  • Martin N. Wilson, Superconducting Magnets (Monographs on Cryogenics) , Oxford University Press, New edition (1987), ISBN   978-0-19-854810-2 .
  • Yukikazu Iwasa, Case Studies in Superconducting Magnets: Design and Operational Issues (Selected Topics in Superconductivity) , Kluwer Academic / Plenum Publishers, (październik 1994), ISBN   978-0-306-44881-2 .
  • Habibo Brechna, Superconducting magnet systems , New York, Springer-Verlag New York, Inc., 1973, ISBN   3-540-06103-7 , ISBN   0-387-06103-7

Linki zewnętrzne