Szupravezető mágnes - Superconducting magnet
A szupravezető mágnes egy elektromágnes , amely szupravezető huzal tekercséből készül . Működés közben kriogén hőmérsékletre kell hűteni őket . Szupravezető állapotában a huzalnak nincs elektromos ellenállása , ezért sokkal nagyobb elektromos áramokat képes vezetni, mint a közönséges huzal, intenzív mágneses tereket hozva létre. A szupravezető mágnesek nagyobb mágneses tereket képesek létrehozni, mint a legerősebb, nem szupravezető elektromágnesek, kivéve az összeset, és olcsóbb is lehet a működésük, mert a tekercsekben hő nem oszlik el hőként. Ezeket a gyógyszereket MRI gépek kórházakban, és a tudományos eszközök, például NMR spektrométer, tömegspektrométerek , fúziós reaktorok és a részecskegyorsítók . Japánban épülő mágneses levitációs (maglev) vasúti rendszerben lebegésre, vezetésre és meghajtásra is használják őket .
Építkezés
Hűtés
Működés közben a mágnes tekercseket a kritikus hőmérsékletük alá kell hűteni , amely hőmérsékleten a tekercselő anyag a normál ellenállási állapotból megváltozik és szupravezetővé válik . A tekercseket általában a kritikus hőmérsékletük alá lényegesen alacsonyabb hőmérsékletre hűtik, mert minél alacsonyabb a hőmérséklet, annál jobban működnek a szupravezető tekercsek - annál nagyobb áramokat és mágneses tereket tudnak állni anélkül, hogy visszatérnének nem szupravezető állapotukba. Kétféle hűtési módot használnak általában a mágnes tekercselésének fenntartásához olyan hőmérsékleten, amely elegendő a szupravezetés fenntartásához:
Folyadék lehűlt
Folyékony hélium használják hűtőfolyadék többféle szupravezető tekercsek. Forráspontja 4,2 K, messze a legtöbb tekercselő anyag kritikus hőmérséklete alatt. A mágnes és a hűtőfolyadék egy hőszigetelt tartályban ( dewar ) található, amelyet kriosztátnak hívnak . Annak érdekében, hogy a hélium ne forrjon el, a kriosztátot általában egy külső köpennyel (lényegesen olcsóbb) folyékony nitrogénnel állítják elő 77 K hőmérsékleten. Alternatív megoldásként egy hővezető anyagból készült hővédő pajzs, amelyet 40 K-60 K hőmérséklet-tartományban tartanak, és a hűtött hűtőfej vezetőképes csatlakozásait a héliummal töltött edény körül helyezzük el, hogy az utóbbi hőbevitele elfogadható szinten maradjon. A magas hőmérsékletű szupravezetők kutatásának egyik célja mágnesek építése, amelyeket csak folyékony nitrogénnel lehet hűteni. Körülbelül 20 K hőmérsékleten hűtés érhető el kriogén folyadékok leforrasztása nélkül.
Mechanikus hűtés
A növekvő költségek és a folyékony hélium csökkenő elérhetősége miatt sok szupravezető rendszert kétlépcsős mechanikus hűtéssel hűtenek. Általában kétféle mechanikus krio-hűtőt alkalmaznak, amelyek elegendő hűtőteljesítménnyel rendelkeznek ahhoz, hogy a mágneseket kritikus hőmérsékletük alatt tartsák. A Gifford-McMahon Cryocooler az 1960-as évek óta kereskedelmi forgalomban kapható, és széles körben elterjedt. A GM-regenerátor ciklusa egy hűtőhűtőben dugattyús típusú elmozdítóval és hőcserélővel működik. Alternatív megoldásként 1999-ben jelölték meg az első kereskedelmi alkalmazást pulzuscsöves krio-hűtővel . A krio-hűtő ilyen kialakítása az alacsony rezgés és a hosszú szolgáltatási intervallum miatt egyre gyakoribbá vált, mivel az impulzuscső-kialakítások akusztikus eljárást alkalmaznak a mechanikus elmozdulás helyett. A kétfokozatú hűtőszekrényekre jellemzően az első fokozat nagyobb hűtési kapacitást kínál, de magasabb hőmérsékleten ~ 77 K, a második fokozat pedig ~ 4,2 K és <2,0 wattos hűtőteljesítmény. A használat során az első lépést elsősorban a kriosztát kiegészítő hűtésére, a második lépést elsősorban a mágnes hűtésére használják.
Tekercs tekercselő anyagok
A szupravezető mágnesben elérhető maximális mágneses teret korlátozza az a mező, amelynél a tekercselő anyag nem lesz szupravezető, "kritikus mezője", H c , amely a II . Típusú szupravezetők esetében a felső kritikus mezője . Egy másik korlátozó tényező a "kritikus áram", I c , amelynél a tekercselő anyag is megszűnik szupravezető. A mágnesek fejlődése a jobb tekercselő anyagok létrehozására összpontosított.
A legtöbb mágnes szupravezető része nióbium-titánból áll . Ennek az anyagnak a kritikus hőmérséklete 10 kelvin, és szupravezethet akár 15 teslánál is . Drágább mágnesek készülhetnek nióbium-ónból (Nb 3 Sn). Ezek T C értéke 18 K. Ha 4,2 K hőmérsékleten üzemelnek, sokkal nagyobb mágneses tér intenzitást képesek elviselni , akár 25-30 tesláig. Sajnos sokkal nehezebb elkészíteni a szükséges szálakat ebből az anyagból. Ezért alkalmazzák néha az Nb 3 Sn kombinációját a nagy terepi szakaszokhoz és az NbTi kombinációt az alsó mező szakaszaihoz. A vanádium-gallium egy másik anyag, amelyet a nagy szántóföldi betétekhez használnak.
Magas hőmérsékletű szupravezetők (pl. BSCCO vagy YBCO ) használhatók nagy terű betétekhez, ha a szükséges mágneses tér nagyobb, mint az Nb 3 Sn képes kezelni. BSCCO, YBCO vagy magnézium-diborid is használható áramvezetékekhez, amelyek nagy áramokat vezetnek szobahőmérsékletről a hideg mágnesbe anélkül, hogy az ellenálló vezetékek nagy hőelvezetést okoznának.
Vezetőszerkezet
A szupravezető mágnes tekercstekercsei II-es típusú szupravezetők vezetékeiből vagy szalagjaiból készülnek (pl. Nióbium-titán vagy nióbium-ón ). A huzal vagy szalag maga készülhet apró szálak (körülbelül 20 mikrométer vastag) a szupravezető egy rézből mátrixban. A réz szükséges hozzá mechanikai stabilitást, és, hogy egy alacsony ellenállású utat a nagy áramok esetén a hőmérséklet fölé emelkedik, a T c , vagy a jelenlegi fölé emelkedik I c , és a szupravezetés elvész. Ezeknek az izzószálaknak ilyen kicsieknek kell lenniük, mert az ilyen típusú szupravezetőkben az áram csak egy olyan felületi rétegben folyik, amelynek vastagsága a londoni behatolási mélységre korlátozódik . (Lásd: Bőrhatás ) A tekercset gondosan kell megtervezni, hogy ellenálljon (vagy ellensúlyozza) a mágneses nyomást és a Lorentz-erőket , amelyek egyébként huzaltörést vagy a szigetelés összeomlását okozhatják a szomszédos fordulatok között.
Művelet
Tápegység
A tekercstekercsek áramát nagyáramú, nagyon kisfeszültségű egyenáramú tápegység biztosítja , mivel állandó állapotban az egyetlen feszültség a mágnesen keresztül az adagolóhuzalok ellenállásának köszönhető. A mágnesen keresztüli áram bármilyen változását nagyon lassan kell végrehajtani, először is, mert elektromosan a mágnes nagy induktivitás, és egy hirtelen áramváltozás nagy feszültségcsúcsot eredményez a tekercseken, és ami még fontosabb, mert az áram gyors változásai örvényt okozhatnak áramok és mechanikai feszültségek a tekercsekben, amelyek kioltást okozhatnak (lásd alább). Tehát az áramellátás általában mikroprocesszoros vezérlésű, úgy van programozva, hogy az áramváltozásokat fokozatosan, kíméletes rámpákon hajtsa végre. A laboratóriumi méretű mágnes bekapcsolása vagy áramtalanítása általában több percet vesz igénybe.
Tartós mód
A legtöbb szupravezető mágnes által alkalmazott alternatív üzemmód az, hogy a tekercset rövidzárlatba hozzuk egy darab szupravezetővel, miután a mágnes feszültség alá került. A tekercsek zárt szupravezető hurkává válnak, az áramellátás kikapcsolható, és a mágneses mező megőrzésével hónapokig állandó áramok folynak. Ennek az állandó módnak az az előnye, hogy a mágneses tér stabilitása jobb, mint a legjobb tápegységekkel elérhető, és nincs szükség energiára a tekercsek meghajtásához. A rövidzárlatot egy „tartós kapcsoló” hozza létre, a mágnes belsejében lévő szupravezető darab, amely a tekercselés végein keresztül csatlakozik egy kis fűtőelemhez. A mágnes első bekapcsolásakor a kapcsolóhuzal átmeneti hőmérséklete fölé melegszik, így ellenálló. Mivel a tekercsnek nincs ellenállása, áram nem áramlik át a kapcsoló vezetékén. Tartós üzemmódba lépéshez a tápfeszültséget addig kell beállítani, amíg a kívánt mágneses mező el nem ér, majd a fűtést kikapcsolják. Az állandó kapcsoló szupravezető hőmérsékletére hűl, rövidzárlatba hozva a tekercseket. Ezután az áramellátás kikapcsolható. A tekercselő áram és a mágneses mező valójában nem fog örökké fennmaradni, de lassan bomlik egy normál induktív (L / R) időállandó szerint:
hol van egy kis maradék ellenállás a szupravezető tekercsekben az ízületek vagy a fluxus mozgásellenállásának nevezett jelenség miatt. Szinte minden kereskedelmi szupravezető mágnes állandó kapcsolókkal van felszerelve.
Mágnes kioltása
A kioltás a mágnes működésének rendellenes befejezése, amely akkor következik be, amikor a szupravezető tekercs egy része normális ( ellenállási ) állapotba kerül. Ez azért fordulhat elő, mert a mágnes belsejében lévő mező túl nagy, a mező változásának sebessége túl nagy ( örvényáramot és ennek eredményeként felmelegedést okoz a réz tartómátrixban), vagy a kettő kombinációja. Ritkábban a mágnes hibája okozhat oltást. Amikor ez megtörténik, az adott helyet gyors Joule-hőkezelés éri a hatalmas áramtól, ami megemeli a környező régiók hőmérsékletét . Ez ezeket a régiókat is normális állapotba taszítja, ami a láncreakcióban további hevítéshez vezet. Az egész mágnes gyorsan normálissá válik (ez több másodpercig is eltarthat, a szupravezető tekercs méretétől függően). Ehhez hangos durranás társul, amikor a mágneses mező energiája hővé alakul, és a kriogén folyadék gyorsan felforralódik . Az áram hirtelen csökkenése kilovoltos induktív feszültségcsúcsokat és íveket eredményezhet. A mágnes tartós károsodása ritka, de az alkatrészeket lokalizált fűtés, magas feszültség vagy nagy mechanikai erők károsíthatják. A gyakorlatban a mágnesek általában rendelkeznek biztonsági eszközökkel az áram leállításához vagy korlátozásához, amikor a kioltás kezdete észlelhető. Ha egy nagy mágnes kioltja, az elpárologtató kriogén folyadék által képzett inert gőz jelentős fulladási veszélyt jelenthet a kezelők számára a lélegző levegő kiszorításával.
Egy nagy része a szupravezető mágnesek CERN „s Large Hadron Collider váratlanul leállítjuk indításkor műveletek 2008-ban szükségessé a csere több mágnest. A potenciálisan romboló oltásokkal szembeni mérséklés érdekében az LHC-t alkotó szupravezető mágnesek gyorsan felfutó fűtőberendezésekkel vannak felszerelve, amelyek akkor aktiválódnak, amikor a komplex oltásgátló rendszer észleli az oltási eseményt. Mivel a dipól hajlító mágnesek sorba vannak kapcsolva, mindegyik áramkör 154 mágnest tartalmaz, és kioltási esemény bekövetkezésekor e mágnesek összesített tárolt energiáját egyszerre kell lerakni. Ezt az energiát hatalmas fémtömbökbe vezetik át, amelyek az ellenálló hevítés miatt másodpercek alatt több száz Celsius-fokig melegednek. Bár nem kívánatos, a mágnes kioltása "meglehetősen rutin esemény" a részecskegyorsító működése során.
Mágnes "képzés"
Bizonyos esetekben a nagyon nagy áramokhoz tervezett szupravezető mágnesek kiterjedt ágyazást igényelnek, hogy a mágnesek teljes tervezett áramuknál és mezőjüknél működhessenek. Ez a mágnes "kiképzése" néven ismert, és magában foglal egyfajta anyagi memóriahatást. Az egyik eset ez szükséges a helyzet a részecske gyorsítókban mint a CERN „s Large Hadron Collider . Az LHC mágneseit a tervek szerint 8 TeV (2 × 4 TeV) frekvencián működtették volna az első meneten, és 14 TeV (2 × 7 TeV) futtatással a második meneten, de kezdetben alacsonyabb 3,5 TeV és 6,5 TeV energiával működtek. sugárenként. Az anyag kezdeti kristálytani hibái miatt kezdetben alacsonyabb szinten veszítik el szupravezető képességüket ("oltásukat"), mint a tervezett áram. A CERN kijelenti, hogy ez annak köszönhető, hogy az elektromágneses erők apró mozgásokat okoznak a mágnesekben, amelyek viszont elveszítik a szupravezetést, amikor a tervezett áramukhoz szükséges nagy pontossággal működnek. Ha a mágneseket ismételten alacsonyabb árammal működteti, majd kissé növeli az áramot, amíg a vezérlésükig ki nem olnak, a mágnes fokozatosan elnyeri a szükséges képességet a tervezési specifikáció magasabb áramainak kioltása nélkül, és bármilyen ilyen problémát "megráz." "belőlük, míg végül képesek megbízhatóan működni teljes tervezett áramuk mellett, anélkül, hogy tapasztalnának oltásokat.
Történelem
Noha Heike Kamerlingh Onnes röviddel azután, hogy 1911-ben felfedezte a szupravezetést, Heike Kamerlingh Onnes vetette fel az elektromágnesek szupravezető huzallal történő elkészítésének ötletét , egy praktikus szupravezető elektromágnesnek meg kellett várnia a szupravezető anyagok felfedezését, amelyek nagy mágneses terekben képesek támogatni a nagy kritikus szupravezetési sűrűségeket. Az első sikeres szupravezető mágnes építette GB Yntema 1955 használatával nióbium huzal és az elért egy mezőt a 0,7 T 4,2 K. Ekkor, 1961-ben, JE Kunzler, E. Buehler, FSL Hsu, és JH Wernick tette a felfedezés, hogy a vegyület a nióbium és az ón 8,8 tesla mágneses térben 100 000 amper / négyzetcentiméter felett meghaladja a kritikus szuperáram sűrűségét. Törékeny jellege ellenére a nióbium-ón azóta rendkívül hasznosnak bizonyult a szupermágnesekben, amelyek akár 20 tesla mágneses teret is létrehoznak.
A tartós kapcsolót 1960-ban találta fel Dwight Adams, míg a Stanford Egyetem posztdoktori munkatársa. A második tartós kapcsolót a floridai egyetemen építette RD Lichti MS hallgató 1963-ban. Ezt az UF fizika épületének kirakatában őrizték meg.
1962-ben TG Berlincourt és RR Hake felfedezték a nióbium-titán ötvözetek magas kritikus-mágneses terű, nagy kritikus-szuperáram-sűrűségű tulajdonságait. Noha a nióbium-titán ötvözetek kevésbé látványos szupravezető tulajdonságokkal rendelkeznek, mint a nióbium-ón, nagyon rugalmasak, könnyen előállíthatók és gazdaságosak. A 10 tesláig terjedő mágneses teret generáló szupermágnesekben hasznos, a nióbium-titán ötvözetek a legszélesebb körben használt szupermágnesek.
1986-ban, a felfedezés a magas hőmérsékletű szupravezetők által Georg Bednorz és Karl Müller feszültség terén, felvetve annak lehetőségét, a mágnesek, amelyek a hűtendő folyékony nitrogénnel ahelyett, hogy a nehezen munka-héliummal.
2007-ben az YBCO tekercselésű mágnes 26,8 tesla világrekord mezőt ért el . Az Egyesült Államok Nemzeti Kutatási Tanácsának célja egy 30 teslás szupravezető mágnes létrehozása.
2017-ben a Nemzeti Magas Mágneses Tér Laboratórium (NHMFL) által létrehozott YBCO mágnes megdöntötte a korábbi világrekordot 32 T erősséggel. Ez egy teljesen szupravezető felhasználói mágnes, amelyet hosszú évtizedekig tartottak fenn. Ők tartják a jelenlegi rekordot 2018 márciusától.
2019-ben az NHMFL kifejlesztett egy szigetelt YBCO teszttekercset is, amely megdöntötte a labor saját világrekordját a legnagyobb mágneses tér mágneses konfigurációjának 45,5 T-nál.
Használ
A szupravezető mágneseknek számos előnye van az ellenálló elektromágnesekkel szemben. Akár tízszer erősebb mágneses tereket képesek létrehozni, mint a közönséges ferromágneses magú elektromágnesek által generált mágneses mezők, amelyek 2 T körüli mezőkre korlátozódnak. A mező általában stabilabb, így kevésbé zajos méréseket eredményeznek. Kisebbek lehetnek, és a mágnes közepén lévő terület, ahol a mező létrejön, üres, nem pedig egy vasmag foglalja el. A legfontosabb, hogy a nagy mágneseknél sokkal kevesebb energiát tudnak fogyasztani. A tartós állapotban (fent) a mágnes egyetlen energiáját fogyasztja, amely minden hűtőberendezéshez szükséges a kriogén hőmérséklet megőrzéséhez. Magasabb mezőket azonban speciális lehűtött rezisztens elektromágnesekkel lehet elérni, mivel a szupravezető tekercsek a normál (nem szupravezető) állapotba (lásd a fenti oltást) magas mezőkön kerülnek. A 40 T feletti egyenletes mezőket a világ számos intézménye képes elérni, általában egy Bitter elektromágnes és egy szupravezető mágnes kombinálásával (gyakran betétként).
A szupravezető mágneseket széles körben használják az MRI- gépekben, az NMR- berendezésekben, a tömegspektrométerekben , a mágneses elválasztási folyamatokban és a részecskegyorsítókban .
Japánban, a Japán Nemzeti Vasutak , majd a Közép-Japán Vasúttársaság (JR Central) évtizedekig tartó szupravezető maglev- kutatása és fejlesztése után a japán kormány engedélyt adott a JR Centralnak a Chūō Shinkansen megépítésére , amely Tokiót Nagoyához , később Oszakához kötötte.
Az SC mágnesek egyik legnagyobb kihívást az LHC részecskegyorsítóban használják . A nióbium-titán (Nb-Ti) mágnesek 1,9 K hőmérsékleten működnek, így biztonságosan tudnak működni 8,3 T hőmérsékleten. Mindegyik mágnes 7 MJ-t tárol. A mágnesek összesen 10,4 gigajoule-ot (2,5 tonna TNT) tárolnak. Naponta egyszer vagy kétszer, amikor a protonokat 450 GeV-ról 7 TeV-ra gyorsítják, a szupravezető hajlító mágnesek területe 0,54 T-ról 8,3 T-ra növekszik.
Az ITER fúziós reaktorhoz tervezett központi mágnesszelep és toroid tér szupravezető mágnesek nióbium-ónt (Nb 3 Sn) használnak szupravezetőként. A központi szolenoid tekercs 46 kA-t hordoz, és 13,5 tesla mezőt hoz létre. A 18 toroid mező tekercs 11,8 T maximális mezőnél 41 GJ-t (összesen?) Fog tárolni. Rekord 80 kA-nál tesztelték őket. Más alacsonyabb terű ITER mágnesek (PF és CC) niobium-titánt fognak használni . Az ITER mágnesek többségének területe óránként sokszor változik.
A tervek szerint egy nagy felbontású tömegspektrométer egy 21 tesla SC mágnest használ.
2014-ben globálisan mintegy ötmilliárd euró értékű gazdasági tevékenység keletkezett, amely nélkülözhetetlen a szupravezetéshez. Az MRI rendszerek, amelyek többségében nióbium-titánt alkalmaznak, ennek az összegnek a 80% -át tették ki.
Lásd még
Hivatkozások
További irodalom
- Martin N. Wilson, Szupravezető mágnesek (monográfiák a kriogenikáról) , Oxford University Press, Új kiadás (1987), ISBN 978-0-19-854810-2 .
- Yukikazu Iwasa, Esettanulmányok a szupravezető mágnesekről: Tervezési és üzemeltetési kérdések (Válogatott témák a szupravezetésben) , Kluwer Academic / Plenum Publishers, (1994. október), ISBN 978-0-306-44881-2 .
- Habibo Brechna, Szupravezető mágnes rendszerek , New York, Springer-Verlag New York, Inc., 1973, ISBN 3-540-06103-7 , ISBN 0-387-06103-7
Külső linkek
- Szupravezető mágnesek készítése az Országos Magas Mágneses Tér Laboratóriumból
- Az NbTi és az Nb3Sn 1986-os értékelése részecskegyorsító mágnesekre.