Сверхпроводящий магнит — это электромагнит, изготовленный из катушек сверхпроводящего провода . Во время работы их необходимо охлаждать до криогенных температур. В сверхпроводящем состоянии провод не имеет электрического сопротивления и, следовательно, может проводить гораздо большие электрические токи, чем обычный провод, создавая интенсивные магнитные поля. Сверхпроводящие магниты могут создавать более сильные магнитные поля , чем все, кроме самых сильных несверхпроводящих электромагнитов , и 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, наведения и движения в железнодорожной системе с магнитной левитацией (маглев), которая строится в Японии .
Во время работы обмотки магнита должны охлаждаться ниже критической температуры , температуры, при которой материал обмотки переходит из обычного резистивного состояния в сверхпроводник , что находится в криогенном диапазоне, намного ниже комнатной температуры. Обмотки обычно охлаждаются 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 магнита при температурах, достаточных для поддержания сверхпроводимости, обычно используются два типа систем охлаждения:
Жидкий гелий используется в качестве охладителя для многих сверхпроводящих обмоток. Он имеет температуру кипения 4,2 К, что намного ниже критической температуры большинства материалов обмоток. Магнит и охладитель содержатся в теплоизолированном контейнере ( дьюаре ), называемом криостатом . Чтобы предотвратить выкипание гелия, криостат обычно конструируется с внешней оболочкой, содержащей (значительно более дешевый) жидкий азот при температуре 77 К. В качестве альтернативы тепловой экран, изготовленный из проводящего материала и поддерживаемый в диапазоне температур 40 К - 60 К, охлаждаемый проводящими соединениями с холодной головкой криоохладителя, размещается вокруг заполненного гелием сосуда, 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 выкипания криогенных жидкостей. [ необходима цитата ]
Из-за растущей стоимости и сокращения доступности жидкого гелия многие сверхпроводящие системы охлаждаются с помощью двухступенчатого механического охлаждения. В целом используются два типа механических криокулеров, которые обладают достаточной охлаждающей способностью для поддержания магнитов ниже их критической температуры. Криокулер Гиффорда-Мак-Магона коммерчески доступен с 1960-х годов и нашел широкое применение. [1] [2] [3] [4] Цикл регенератора GM в криокулере работает с использованием вытеснителя поршневого типа и теплообменника. В качестве альтернативы, 1999 год ознаменовал первое коммерческое применение с использованием криокулера с импульсной трубкой . Такая конструкция криокулера становится все более распространенной из-за низкой вибрации и длительного интервала обслуживания, поскольку конструкции с импульсной трубкой используют акустический процесс вместо механического смещения. В типичном двухступенчатом холодильнике первая ступень обеспечивает более высокую охлаждающую способность, но при более высокой температуре (≈ 77 К), а вторая ступень достигает ≈ 4,2 К и < Мощность охлаждения 2,0 Вт . При использовании первая ступень используется в основном для вспомогательного охлаждения криостата, а вторая ступень используется в основном для охлаждения магнита.
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 типа 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 обмотки.
Сверхпроводящие части большинства современных магнитов состоят из ниобия-титана . Этот материал имеет критическую температуру10 К и может быть сверхпроводником при температуре до15 Тл . Более дорогие магниты могут быть изготовлены из ниобия-олова ( Nb3Sn ). Они имеют Tc 18 К. При работе при 4,2 К они способны выдерживать гораздо более высокую напряженность магнитного поля , до 25 Тл - 30 Тл. К сожалению, из этого материала гораздо сложнее изготовить необходимые нити. Вот почему иногда используется комбинация Nb3Sn для секций с высоким полем и NbTi для секций с низким полем. Ванадий-галлий - еще один материал, используемый для вставок с высоким полем.
Высокотемпературные сверхпроводники (например, BSCCO или YBCO ) могут использоваться для вставок с высоким полем, когда требуемые магнитные поля выше, чем может выдержать Nb 3 Sn. [ требуется ссылка ] BSCCO, YBCO или диборид магния также могут использоваться для токопроводов, проводя высокие токи от комнатной температуры к холодному магниту без сопутствующей большой утечки тепла от резистивных проводов. [ требуется ссылка ]
Обмотки катушки сверхпроводящего магнита изготавливаются из проводов или лент сверхпроводников II типа (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 для обеспечения пути с низким сопротивлением для больших токов в случае, если температура поднимется выше T c или ток поднимется выше I c и сверхпроводимость будет потеряна. 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, чтобы выдерживать (или противодействовать) магнитному давлению и силам Лоренца , которые в противном случае могли бы вызвать разрыв провода или разрушение изоляции между соседними витками.
Ток в обмотках катушки обеспечивается источником постоянного тока с высоким током и очень низким напряжением , поскольку в устойчивом состоянии единственное напряжение на магните обусловлено сопротивлением питающих проводов. Любое изменение тока через магнит должно производиться очень медленно, во-первых, потому что с электрической точки зрения магнит является большим индуктором , и резкое изменение тока приведет к большому скачку напряжения на обмотках, и, что еще важнее, потому что быстрые изменения тока могут вызвать вихревые токи и механические напряжения в обмотках, которые могут вызвать гашение (см. ниже). Поэтому источник питания обычно управляется микропроцессором, запрограммированным на постепенное изменение тока, плавными рампами. Обычно требуется несколько минут, чтобы включить или выключить магнит лабораторного размера.
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 может быть отключен, и постоянные токи будут течь в течение месяцев, сохраняя магнитное поле. Преимущество этого постоянного режима заключается в том, что стабильность магнитного поля лучше, чем это достижимо с лучшими источниками питания, и для питания обмоток не требуется никакой энергии. Короткое замыкание осуществляется «постоянным переключателем», куском сверхпроводника внутри магнита, подключенным через концы обмотки, прикрепленным к небольшому нагревателю. [5] Когда магнит впервые включается, провод переключателя нагревается выше своей температуры перехода, поэтому он является резистивным. Поскольку сама обмотка не имеет сопротивления, ток не течет по проводу переключателя. Чтобы перейти в постоянный режим, ток питания регулируется до тех пор, пока не будет получено желаемое магнитное поле, затем нагреватель выключается. Постоянный переключатель охлаждается до своей сверхпроводящей температуры, закорачивая обмотки. Затем можно отключить питание. Ток обмотки и магнитное поле на самом деле не будут сохраняться вечно, а будут медленно затухать в соответствии с обычной индуктивной постоянной времени ( L / R ):
где - небольшое остаточное сопротивление в сверхпроводящих обмотках из-за соединений или явления, называемого сопротивлением движению потока. Почти все коммерческие сверхпроводящие магниты оснащены постоянными переключателями.
Срыв — это ненормальное прекращение работы магнита, которое происходит, когда часть сверхпроводящей катушки переходит в нормальное ( резистивное ) состояние. Это может произойти из-за слишком большого поля внутри магнита, слишком большой скорости изменения поля (что приводит к вихревым токам и последующему нагреву в медной опорной матрице) или комбинации этих двух факторов. Реже причиной срыва может стать дефект в магните. 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 становится нормальным (это может занять несколько секунд, в зависимости от размера сверхпроводящей катушки). Это сопровождается громким хлопком, поскольку энергия в магнитном поле преобразуется в тепло, и быстрым выкипанием криогенной жидкости . Резкое уменьшение тока может привести к киловольтным индуктивным скачкам напряжения и искрению. Постоянное повреждение магнита случается 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, образующийся при испарении криогенной жидкости, может представлять значительную опасность удушья для операторов, вытесняя пригодный для дыхания воздух.
Большая часть сверхпроводящих магнитов в Большом адронном коллайдере ЦЕРНа неожиданно погасла во время запуска в 2008 году, что потребовало замены ряда магнитов. [6] Для того чтобы смягчить потенциально разрушительные гашения, сверхпроводящие магниты, которые образуют LHC, оснащены быстродействующими нагревателями, которые активируются, как только событие гашения обнаруживается сложной системой защиты от гашения. Поскольку дипольные поворотные магниты соединены последовательно, каждая силовая цепь включает 154 отдельных магнита, и в случае возникновения события гашения вся объединенная накопленная энергия этих магнитов должна быть немедленно сброшена. Эта энергия передается в сбросы, которые представляют собой массивные блоки металла, которые нагреваются до нескольких сотен градусов Цельсия из-за резистивного нагрева за считанные секунды. Хотя гашение магнита нежелательно, это «довольно обычное событие» во время работы ускорителя частиц. [7]
В некоторых случаях сверхпроводящие магниты, рассчитанные на очень высокие токи, требуют обширной приработки, чтобы магниты могли функционировать при своих полных запланированных токах и полях. Это известно как «тренировка» магнита и подразумевает тип эффекта памяти материала. Одной из ситуаций, в которой это требуется, является случай коллайдеров частиц, таких как Большой адронный коллайдер ЦЕРНа . [ 8] [9] 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 изначально они работали при более низкой энергии 3,5 ТэВ и 6,5 ТэВ на пучок соответственно. Из-за начальных кристаллографических дефектов в материале они изначально потеряют свою сверхпроводящую способность («закалятся») на более низком уровне, чем их проектный 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. [9] При многократном запуске магнитов при более низком токе, а затем небольшом увеличении тока до тех пор, пока они не начнут гаснуть под контролем, магнит постепенно приобретет необходимую способность выдерживать более высокие токи своей проектной спецификации без возникновения гашения, и любые подобные проблемы будут «вытряхиваться» из них, пока они в конечном итоге не смогут надежно работать при своем полном запланированном токе без возникновения гашения. [9]
Хотя идея создания электромагнитов с помощью сверхпроводящей проволоки была предложена Хайке Камерлинг-Оннесом вскоре после того, как он открыл сверхпроводимость в 1911 году, практический сверхпроводящий электромагнит должен был дождаться открытия сверхпроводящих материалов, которые могли бы поддерживать большие критические сверхтоки 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. [10] Затем, в 1961 году, JE Kunzler , E. Buehler, FSL Hsu и JH Wernick сделали открытие, что соединение ниобия и олова может поддерживать критические сверхтоки плотности более 100 000 ампер на квадратный сантиметр в магнитных полях 8,8 тесла. [11] Несмотря на свою хрупкость, сплав ниобия и олова с тех пор оказался чрезвычайно полезным в супермагнитах, генерирующих магнитные поля до 20 Тл.
Постоянный переключатель был изобретен в 1960 году Дуайтом Адамсом, когда он был постдокторантом в Стэнфордском университете. Второй постоянный переключатель был сконструирован в Университете Флориды студентом магистратуры Р. Д. Лихти в 1963 году. Он сохранился в витрине в здании физики Университета Флориды.
В 1962 году TG Berlincourt и RR Hake [12] открыли свойства высококритического магнитного поля и высококритической плотности сверхтока сплавов ниобия с титаном. Хотя сплавы ниобия с титаном обладают менее впечатляющими сверхпроводящими свойствами, чем сплавы ниобия с оловом, они очень пластичны, просты в изготовлении и экономичны. Полезные в супермагнитах, генерирующих магнитные поля до 10 тесла, сплавы ниобия с титаном являются наиболее широко используемыми материалами для супермагнитов.
В 1986 году открытие высокотемпературных сверхпроводников Георгом Беднорцем и Карлом Мюллером вдохнуло новую жизнь в эту область, повысив вероятность 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 поля26,8 Тл . [13] Национальный исследовательский совет США поставил перед собой цель создать сверхпроводящий магнит с магнитной индукцией 30 Тесла.
В 2014 году в глобальном масштабе экономическая деятельность, в которой сверхпроводимость является незаменимой, достигла почти шести миллиардов долларов США. Системы МРТ, большинство из которых используют ниобий-титан, составили около 80% от этой суммы. [14]
В 2016 году Юн и др. сообщили о сверхпроводящем магните без изоляции на 26 Т, который они построили из GdBa 2 Cu 3 O 7– x [15] , используя технологию, о которой ранее сообщалось в 2013 году [16].
В 2017 году магнит YBCO, созданный Национальной лабораторией сильных магнитных полей (NHMFL), побил предыдущий мировой рекорд силой 32 Т. Это полностью сверхпроводящий пользовательский магнит, рассчитанный на многие десятилетия. Они удерживают текущий рекорд по состоянию на март 2018 года.
В 2019 году Институтом электротехники Китайской академии наук (IEE, CAS) был установлен новый мировой рекорд в 32,35 Тл с полностью сверхпроводящим магнитом. [17] 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 самому высокому непрерывному магнитному полю для любой конфигурации магнита — 45,5 Т. [18] [19]
В 2020 году с использованием ВТСП- магнита был получен ЯМР-магнит с частотой 1,2 ГГц (28,2 Тл) [20] . [21]
В 2022 году Хэфэйский институт физических наук Китайской академии наук (HFIPS, CAS) заявил о достижении нового мирового рекорда по самому сильному постоянному магнитному полю в 45,22 Тл [22] [23], тогда как предыдущий рекорд NHMFL в 45,5 Тл был фактически достигнут в 2019 году, когда магнит немедленно вышел из строя при срыве потока.
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) единственная мощность, потребляемая магнитом, — это та, которая необходима для холодильного оборудования. Более высокие поля могут быть достигнуты с помощью охлаждаемых резистивных электромагнитов, поскольку сверхпроводящие катушки переходят в несверхпроводящее состояние при высоких полях. Устойчивые поля более 40 Тл могут быть достигнуты, как правило, путем объединения электромагнита Биттера со сверхпроводящим магнитом (часто в качестве вставки).
Сверхпроводящие магниты широко используются в сканерах МРТ , оборудовании ЯМР , масс-спектрометрах , процессах магнитного разделения и ускорителях частиц .
В Японии после десятилетий исследований и разработок в области сверхпроводящего маглева Японскими национальными железными дорогами , а позднее Центральной японской железнодорожной компанией (JR Central), японское правительство дало разрешение JR Central на строительство линии Тюо Синкансэн , связывающей Токио с Нагоей, а затем с Осакой. [ необходима цитата ]
Одно из самых сложных применений сверхпроводящих магнитов — ускоритель частиц LHC . [24] Его ниобий-титановые (Nb-Ti) магниты работают при 1,9 К, что позволяет им безопасно работать при 8,3 Т. Каждый магнит хранит 7 МДж. В общей сложности магниты хранят10,4 ГДж . Один или два раза в день, по мере ускорения протонов от 450 ГэВ до 7 ТэВ, поле сверхпроводящих поворотных магнитов увеличивается от 0,54 Тл до 8,3 Тл.
Центральный соленоид и тороидальные магниты сверхпроводимости, разработанные для термоядерного реактора ИТЭР, используют ниобий-олово (Nb 3 Sn) в качестве сверхпроводника. Центральная соленоидная катушка проводит ток 46 кА и создает магнитное поле 13,5 Тл. 18 тороидальных катушек поля при максимальном поле 11,8 Тл хранят энергию 41 ГДж (всего?). [ необходимо разъяснение ] Они были испытаны при рекордном токе 80 кА. Другие магниты ИТЭР с более низким полем (PF и CC) [ необходимо разъяснение ] используют ниобий-титан. Большинство магнитов ИТЭР имеют поле, изменяющееся много раз в час.
Один масс-спектрометр высокого разрешения планировал использовать магнит SC 21 Тесла. [25]
