Υπεραγώγιμος μαγνήτης

Υπεραγώγιμος μαγνήτης (superconducting magnet) είναι ένας ηλεκτρομαγνήτης που παρασκευάζεται από σπείρες υπεραγώγιμου σύρματος. Πρέπει να ψυχθεί σε κρυογονικές θερμοκρασίες κατά τη διάρκεια της λειτουργίας. Στην υπεραγώγιμη κατάσταση το καλώδιο μπορεί να άγει πολύ μεγαλύτερα ηλεκτρικά ρεύματα από το κανονικό καλώδιο, δημιουργώντας έντονα μαγνητικά πεδία. Οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες μπορούν να παραγάγουν μεγαλύτερα μαγνητικά πεδία από όλους σχεδόν τους ισχυρότερους ηλεκτρομαγνήτες και μπορεί να είναι φτηνότεροι στη λειτουργία τους επειδή δεν χάνεται ενέργεια ως θερμότητα στις περιελίξεις. Χρησιμοποιούνται σε μηχανήματα μαγνητικής τομογραφίας σε νοσοκομεία και σε επιστημονικό εξοπλισμό όπως στα φασματοφωτόμετρα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, σε φασματογράφους μάζας (mass spectrometers) και σε επιταχυντές σωματιδίων.

Διάγραμμα ενός υπεραγώγιμου μαγνήτη 20 tesla με κατακόρυφη οπή

Κατασκευή

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Ψύξη

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Κατά τη λειτουργία του, οι σπείρες του μαγνήτη πρέπει να ψύχονται κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία υπεραγωγιμότητάς τους, δηλαδή τη θερμοκρασία στην οποία το υλικό των σπειρών αλλάζει από την κανονική κατάσταση αντίστασης και γίνεται υπεραγωγός. Χρησιμοποιούνται συνήθως δύο τύποι τρόποι ψύξης για να κρατηθούν οι σπείρες του μαγνήτη σε επαρκείς θερμοκρασίες για τη διατήρηση της υπεραγωγιμότητας:

Υγρή ψύξη

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Χρησιμοποιείται υγρό ήλιο ως ψυκτικό για τις περισσότερες υπεραγώγιμες σπείρες, ακόμα και για αυτές με κρίσιμες θερμοκρασίες πολύ πάνω από το σημείο ζέσης των 4,2 K. Αυτό συμβαίνει γιατί όσο χαμηλότερη η θερμοκρασία, τόσο καλύτερα εργάζονται οι υπεραγώγιμες σπείρες — τόσο περισσότερο μπορούν να αντέξουν τα ρεύματα και τα μαγνητικά πεδία χωρίς να επιστρέψουν σε μη υπεραγώγιμη κατάσταση. Ο μαγνήτης και το ψυκτικό περιέχονται σε θερμικά μονωμένο περιέκτη δοχείου Ντιούαρ που ονομάζεται κρυοστάτης (cryostat). Για να διατηρηθεί το ήλιο από εξάτμιση, ο κρυοστάτης κατασκευάζεται συνήθως από με έναν εξωτερικό μανδύα που περιέχει (το σημαντικά πιο φτηνό) υγρό άζωτο στους 77 K. Εναλλακτικά, τοποθετείται εναλλακτική ασπίδα από αγώγιμο υλικό που διατηρείται στην περιοχή των θερμοκρασιών 40 K-60 K και ψύχεται από αγώγιμες συνδέσεις στην κεφαλή ψύξης του κρυοψύκτη (cryocooler cold head), γύρω από το δοχείο με το ήλιο για να διατηρήσει την εισερχόμενη θερμότητα στο δεύτερο σε αποδεκτά επίπεδα. Ένας από τους σκοπούς της αναζήτησης για υπεραγωγούς υψηλής Θερμοκρασίας είναι η κατασκευή μαγνητών που μπορούν να ψυχθούν μόνο από υγρό άζωτο. Σε θερμοκρασίες πάνω από τους περίπου 20 K η ψύξη μπορεί να επιτευχθεί χωρίς εξάτμιση των κρυογονικών υγρών.

Μηχανική ψύξη

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Λόγω του αυξανόμενου κόστους και της μειούμενης διαθεσιμότητας του υγρού ηλίου, πολλά υπεραγώγιμα συστήματα ψύχονται χρησιμοποιώντας μηχανική ψύξη δύο σταδίων. Γενικά, χρησιμοποιούνται δύο τύποι κρυοψυκτών που έχουν επαρκή ψυκτική ισχύ για να διατηρήσουν τους μαγνήτες κάτω από την κρίσιμη θερμοκρασία τους. Ο κρυοψύκτης Gifford-McMahon είναι διαθέσιμος εμπορικά από τη δεκαετία του 1960 και έχει πλατιά εφαρμογή. Ο κύκλος αναγέννησης G-M σε έναν κρυοψύκτηr λειτουργεί χρησιμοποιώντας έμβολο τύπου μετατόπισης (displacer) και εναλλάκτη θερμότητας. Εναλλακτικά, το 1999 εμφανίστηκε η πρώτη εμπορική εφαρμογή με κρυοψύκτη σωλήνα παλμού (pulse tube cryocooler). Αυτή η σχεδίαση κρυοψύκτη γίνεται όλο και πιο κοινή λόγω των χαμηλών κραδασμών και του μεγάλου διαστήματος συντήρησης επειδή τα σχέδια του σωλήνα παλμού χρησιμοποιούν ακουστική διεργασία αντί για μηχανική μετατόπιση. Κατά τη χρήση, το πρώτο στάδιο χρησιμοποιείται κυρίως για βοηθητική ψύξη του κρυοστάτη με το δεύτερο στάδιο να χρησιμοποιείται κυρίως για ψύξη του μαγνήτη.

Υλικά

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Το μέγιστο επιτεύξιμο μαγνητικό πεδίο σε υπεραγώγιμους μαγνήτες περιορίζεται από το πεδίο στο οποίο το υλικό περιέλιξης παύει να είναι υπεραγώγιμο, το "κρίσιμο πεδίο του", Hc, που για τους υπεραγωγούς τύπου ΙΙ (type-II superconductors) είναι το ανώτερο κρίσιμο πεδίο του. Ένας άλλος παράγοντας είναι το "κρίσιμο ρεύμα", Ic, στο οποίο το υλικό περιέλιξης παύει επίσης να είναι υπεραγώγιμο. Οι βελτιώσεις στους μαγνήτες έχουν εστιαστεί στη δημιουργία καλύτερων υλικών περιέλιξης.

Τα υπεραγώγιμα τμήματα των περισσότερων σύγχρονων μαγνητών αποτελούνται από κράμα νιοβίου και τιτανίου. Αυτό το υλικό έχει κρίσιμη θερμοκρασία τους 10 Κ και μπορεί να υπεράγει μέχρι περίπου 15 Τ. Πιο ακριβοί μαγνήτες μπορούν να κατασκευαστούν από κράμα νιοβίου κασσιτέρου (Nb3Sn). Αυτοί έχουν Tc στους 18 K. Κατά τη λειτουργία στους 4,2 K μπορούν να αντισταθούν μια πολλή υψηλότερη ένταση μαγνητικού πεδίου, μέχρι 25 έως 30 Τ. Δυστυχώς, είναι πολύ πιο δύσκολο να κατασκευαστούν τα απαιτούμενα νήματα από αυτό το υλικό. Γι' αυτό, κάποιες φορές, χρησιμοποιείται συνδυασμός από Nb3Sn για τα τμήματα υψηλού πεδίου και NbTi για τα τμήματα πιο χαμηλού πεδίου. Το κράμα βαναδίου και γαλλίου είναι ένα άλλο υλικό που χρησιμοποιείται για τα υψηλά πεδία.

Οι υπεραγωγοί υψηλής θερμοκρασίας (π.χ. BSCCO ή YBCO) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τα υψηλά πεδία όταν απαιτούνται μαγνητικά πεδία που είναι πιο υψηλά από ότι μπορεί να διαχειριστεί το Nb3Sn. BSCCO, YBCO ή διβοριούχο μαγνήσιο (magnesium diboride) μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τρέχοντες αγωγούς, που άγουν υψηλά ρεύματα από θερμοκρασία δωματίου στον κρύο μαγνήτη χωρίς τη συνοδεία μεγάλων διαρροών θερμότητας από αγωγούς αντίστασης.

Περιελίξεις σπειρών

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Οι περιελίξεις των σπειρών υπεραγώγιμου μαγνήτη κατασκευάζονται από σύρματα ή ταινίες από υπεραγωγούς τύπου II (π.χ. νιοβίου-τιτανίου ή νιοβίου-κασσιτέρου). Το σύρμα ή η ταινία μπορεί να κατασκευαστούν από μικροσκοπικά σύρματα (με πάχος περίπου 20 μm) από υπεραγωγό σε μήτρα χαλκού. Ο χαλκός απαιτείται για να προσθέσει μηχανική σταθερότητα και να δώσει διαδρομή χαμηλής αντίστασης για τα μεγάλα ρεύματα σε περίπτωση που η θερμοκρασία υπερβεί την Tc ή το ρεύμα υπερβεί το Ic και χαθεί η υπεραγωγιμότητα. Αυτά τα νήματα πρέπει να είναι τόσο μικρά επειδή σε αυτόν τον τύπο υπεραγωγού το ρεύμα ρέει μόνο μέσω βάθους διείσδυσης london (επιφανειακά). Το σπείρωμα πρέπει να σχεδιαστεί με προσοχή για να αντέξει (ή να αντιδράσει) στη μαγνητική πίεση και τις δυνάμεις Λόρεντζ που θα μπορούσαν αλλιώς να προκαλέσουν ρωγμή στο σύρμα ή θραύση της μόνωσης μεταξύ γειτονικών σπειρών.

Λειτουργία

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
7 T οριζόντια οπή υπεραγώγιμου μαγνήτη, τμήματος φασματοφωτομέτρου μάζας. Ο ίδιος ο μαγνήτης είναι μέσα στον κυλινδρικό κρυοστάτη.

Παροχή ισχύος

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Το ρεύμα στις περιελίξεις του σπειρώματος παρέχονται από υψηλό ρεύμα, πολύ χαμηλής τάσης συνεχούς ρεύματος, επειδή στην σταθερή κατάσταση η μόνη τάση κατά μήκος του μαγνήτη οφείλεται στην αντίσταση των συρμάτων του τροφοδοτικού. Οποιαδήποτε αλλαγή στο ρεύμα μέσω του μαγνήτη πρέπει να γίνει πολύ αργά, πρώτα επειδή ηλεκτρικά ο μαγνήτης είναι μεγάλο πηνίο και απότομη μεταβολή ρεύματος θα προκαλέσει μεγάλη αιχμή τάσης στο σπείρωμα και πιο σημαντικά επειδή γρήγορες μεταβολές στο ρεύμα μπορεί να προκαλέσουν ρεύματα Φουκό και μηχανικές τάσεις στο σπείρωμα που μπορεί να επιταχύνει την απόσβεση (δείτε παρακάτω). Γι' αυτό η παροχή ισχύος ελέγχεται συνήθως από μικροεπεξεργαστή, προγραμματισμένο να ολοκληρώσει τις μεταβολές ρεύματος σταδιακά, με ήπιες αυξήσεις. Συνήθως, παίρνει αρκετά λεπτά για ενεργοποίηση ή απενεργοποίηση ενός εργαστηριακού μαγνήτη.

Μόνιμη κατάσταση

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Μια εναλλακτική κατάσταση λειτουργίας, μόλις ο μαγνήτης ενεργοποιηθεί, είναι το βραχυκύκλωμα των περιελίξεων με ένα κομμάτι υπεραγωγού. Οι περιελίξεις γίνονται ένας κλειστός υπεραγώγιμος βρόχος, η παροχή ισχύος μπορεί να απενεργοποιηθεί και τα παραμένοντα ρεύματα θα ρέουν για μήνες, διατηρώντας το μαγνητικό πεδίο. Το πλεονέκτημα αυτής της μόνιμης κατάστασης είναι ότι η σταθερότητα του μαγνητικού πεδίου είναι καλύτερη από την επιτυγχανόμενη με τις καλύτερες πηγές ενέργειας και δεν χρειάζεται ενέργεια για τροφοδοσία των περιελίξεων. Το βραχυκύκλωμα γίνεται από έναν 'μόνιμο διακόπτη', ένα κομμάτι υπεραγωγού μέσα στον συνδεμένο μαγνήτη μέσω των άκρων της περιέλιξης, προσδεμένης σε έναν μικρό θερμαντήρα. Σε κανονική κατάσταση, το καλώδιο του διακόπτη θερμαίνεται πάνω από τη θερμοκρασία μετάπτωσης του, έτσι ώστε να έχει αντίσταση. Επειδή η ίδια η περιέλιξη δεν έχει αντίσταση, κανένα ρεύμα δεν ρέει μέσω του καλωδίου του διακόπτη. Για τη μετάβαση στη μόνιμη κατάσταση, το ρεύμα ρυθμίζεται μέχρι να ληφθεί το επιθυμητό μαγνητικό πεδίο, έπειτα ο θερμαντήρας απενεργοποιείται. Ο μόνιμος διακόπτης ψύχεται στην υπεραγώγιμη θερμοκρασία του, με βραχυκύκλωση των περιελίξεων. Έπειτα μπορεί να απενεργοποιηθεί η παροχή ισχύος. Το ρεύμα περιέλιξης και το μαγνητικό πεδίο, δεν πρόκειται στην πραγματικότητα να παραμείνουν για πάντα, αλλά θα φθίνουν αργά ανάλογα με τη κανονική σταθερά χρόνου επαγωγής (L/R):

όπου είναι μια μικρή παραμένουσα αντίσταση στις υπεραγώγιμες περιελίξεις λόγω των ενώσεων ή ενός φαινομένου που ονομάζεται αντίσταση κίνησης ροής (flux motion resistance). Σχεδόν όλοι οι εμπορικοί υπεραγώγιμοι μαγνήτες είναι εφοδιασμένοι με μόνιμους διακόπτες.

Απόσβεση μαγνήτη (Magnet quench)

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Απόσβεση είναι ένας ανώμαλος τερματισμός της λειτουργίας του μαγνήτη που συμβαίνει όταν τμήμα της υπεραγώγιμης σπείρας μπει σε κανονική κατάσταση αντίστασης. Αυτό μπορεί να συμβεί επειδή το πεδίο μέσα στον μαγνήτη είναι υπερβολικά μεγάλο, ή ο ρυθμός μεταβολής του πεδίου είναι υπερβολικά μεγάλος (προκαλώντας ρεύματα Φουκό και ως αποτέλεσμα θέρμανση στον χάλκινο πίνακα υποστήριξης), ή σε συνδυασμό και των δύο. Πιο σπάνια ένα ελάττωμα στον μαγνήτη μπορεί να προκαλέσει απόσβεση. Όταν συμβεί αυτό, το συγκεκριμένο σημείο υπόκειται σε γρήγορη θέρμανση από το τεράστιο ρεύμα, που αυξάνει τη θερμοκρασία των περιβαλλουσών περιοχών. Αυτό ωθεί αυτές τις περιοχές επίσης σε κανονική κατάσταση, που οδηγεί σε περισσότερη θέρμανση σε μια αλυσιδωτή αντίδραση. Το σύνολο του μαγνήτη γρήγορα γίνεται κανονικό (αυτό μπορεί να πάρει αρκετά δευτερόλεπτα, ανάλογα με το μέγεθος του υπεραγώγιμου πηνίου). Αυτό συνοδεύεται από έναν δυνατό χτύπημα καθώς η ενέργεια του μαγνητικού πεδίου μετατρέπεται σε θερμότητα και σε γρήγορη εξάτμιση του κρυογενούς ρευστού. Η απότομη μείωση του ρεύματος μπορεί να οδηγήσει σε ακίδες και τόξα επαγωγικής τάσης της τάξης των kilovolt. Η μόνιμη βλάβη στον μαγνήτη είναι σπάνια, αλλά συστατικά του μπορεί να καταστραφούν από τοπική θέρμανση, υψηλές τάσεις ή μεγάλες μηχανικές δυνάμεις. Πρακτικά, οι μαγνήτες έχουν συνήθως διατάξεις ασφαλείας για να σταματήσουν ή να περιορίσουν το ρεύμα όταν ανιχνευτεί έναρξη απόσβεσης. Εάν ένας μεγάλος μαγνήτης αποσβεστεί, ο αδρανής σχηματιζόμενος ατμός από το εξατμιζόμενο κρυογενές ρευστό μπορεί να προκαλέσει σημαντικό κίνδυνο ασφυξίας στους χειριστές με μετατόπιση του αναπνεύσιμου αέρα. Ένα μεγάλο τμήμα των υπεραγώγιμων μαγνητών στο Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων του CERN αποσβέστηκε αναπάντεχα κατά τη διάρκεια λειτουργιών εκκίνησης το 2008, προκαλώντας την αντικατάσταση ενός αριθμού μαγνητών.[1] Για την άμβλυνση του φαινομένου κατά δυνητικών καταστροφικών αποσβέσεων, οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες που σχηματίζουν το LHC είναι εξοπλισμένοι με θερμαντήρες γρήγορης αύξησης που ενεργοποιούνται μόλις ανιχνευτεί συμβάν απόσβεσης από το σύνθετο σύστημα προστασίας αποσβέσεων. Καθώς οι διπολικοί μαγνήτες καμπύλωσης (dipole bending magnets) συνδέονται σε σειρά, κάθε κύκλωμα ισχύος περιλαμβάνει 154 μεμονωμένους μαγνήτες και εάν συμβεί απόσβεση, όλη η συνδυασμένη αποθηκευμένη ενέργεια αυτών των μαγνητών πρέπει να μεταφερθεί μονομιάς. Αυτή η ενέργεια μεταφέρεται σε αποθέσεις από μαζικές μεταλλικές ομάδες που θερμαίνονται μέχρι μερικές εκατοντάδες βαθμούς Κελσίου λόγω της θέρμανσης αντίστασης σε δευτερόλεπτα. Αν και ανεπιθύμητες, οι αποσβέσεις μαγνήτη είναι μάλλον "μέτρια συμβάντα ρουτίνας" κατά τη λειτουργία επιταχυντή σωματιδίων.[2]

"Εκπαίδευση" του μαγνήτη

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Σε κάποιες περιπτώσεις, οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες που σχεδιάστηκαν για πολύ υψηλά ρεύματα απαιτούν εκτεταμένη προσαρμογή, για να ενεργοποιηθούν οι μαγνήτες σε πλήρη λειτουργία ρευμάτων και πεδίων. Αυτό είναι γνωστό ως "εκπαίδευση" του μαγνήτη και εμπεριέχει έναν τύπο υλικού με φαινόμενο μνήμης (memory effect). Μια κατάσταση που απαιτείται είναι στην περίπτωση του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων του CERN.[3][4] Οι μαγνήτες του LHC σχεδιάστηκαν να λειτουργούν σε 8 TeV (2 x 4 TeV) στην πρώτη τους φάση και σε 14 TeV (2 x 7 TeV) στη δεύτερή τους φάση, αλλά λειτούργησαν αρχικά σε χαμηλότερη ενέργεια 3,5 TeV και 6,5 TeV ανά δέσμη αντίστοιχα. Λόγω αρχικών κρυσταλλογραφικών ελαττωμάτων (crystallographic defects) στο υλικό, θα χάσουν αρχικά την υπεραγώγιμη ικανότητά τους ("απόσβεση") σε χαμηλότερο επίπεδο από την τρέχουσα σχεδίασή τους. Το CERN δηλώνει ότι αυτό οφείλεται σε ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις που προκαλούν μικροσκοπικές κινήσεις στους μαγνήτες, που με τη σειρά τους προκαλούν απώλεια υπεραγωγιμότητας κατά τη λειτουργία στις απαιτούμενες υψηλές ακρίβειες για το σχεδιασμένο ρεύμα.[4] Με επαναλαμβανόμενη λειτουργία των μαγνητών σε χαμηλότερο ρεύμα και με μικρή αύξηση του ρεύματος μέχρι τον έλεγχο της απόσβεσης, οι μαγνήτες κερδίζουν σταδιακά την απαιτούμενη ικανότητα να αντιστέκονται σε υψηλότερα ρεύματα της σχεδιασμένης προδιαγραφής χωρίς να συμβεί απόσβεση και δεν έχουν τέτοια προβλήματα κίνησης τους, μέχρι τελικά να μπορούν να λειτουργήσουν αξιόπιστα στο πλήρες σχεδιασμένο ρεύμα τους χωρίς να εμφανίζουν αποσβέσεις.[4]

Ιστορικό

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]

Αν και η ιδέα κατασκευής ηλεκτρομαγνητών με υπεραγώγιμο σύρμα προτάθηκε από τον Χάικε Κάμερλιν λίγο μετά την ανακάλυψη της υπεραγωγιμότητας το 1911, η πρακτική κατασκευή υπεραγώγιμων ηλεκτρομαγνητών έπρεπε να περιμένει μέχρι την ανακάλυψη υπεραγώγιμων υλικών που μπορούσαν να υποστηρίζουν μεγάλες κρίσιμες πυκνότητες υπερρευμάτων σε μεγάλα μαγνητικά πεδία. Ο πρώτος επιτυχής υπεραγώγιμος μαγνήτης κατασκευάστηκε από τον G.B. Yntema το 1955 χρησιμοποιώντας σύρμα νιοβίου και πέτυχε πεδίο 0,7 T στους 4,2 K.[5] Έπειτα, το 1961, οι J.E. Kunzler, E. Buehler, F.S.L. Hsu και J.H. Wernick έκαναν την ξαφνική ανακάλυψη ότι μια ένωση του νιοβίου και κασσιτέρου μπορούσε να υποστηρίξει κρίσιμες πυκνότητες υπερρεύματος μεγαλύτερες από 100.000 Α ανά τετραγωνικό εκατοστό σε μαγνητικά πεδία 8,8 Τ.[6] Παρά την εύθραυστη φύση του, το κράμα νιοβίου-κασσιτέρου έχει αποδειχθεί από τότε πολύ χρήσιμο στη δημιουργία μαγνητικών πεδίων υπερμαγνητών μέχρι 20 Τ.

Το 1962, οι T.G. Berlincourt και R.R. Hake[7] ανακάλυψαν τα υπερκρίσιμα μαγνητικά πεδία και τις υπερκρίσιμες πυκνότητες υπερρευμάτων των κραμάτων νιοβίου-τιτανίου. Αν και τα κράματα νιοβίου-τιτανίου έχουν λιγότερο εντυπωσιακές υπεραγώγιμες ιδιότητες από το νιόβιο-ψευδάργυρο, είναι πολύ εύπλαστα, εύκολα κατασκευάσιμα και οικονομικά. Χρήσιμα στη δημιουργία μαγνητικών πεδίων υπερμαγνητών μέχρι 10 tesla, τα κράματα νιοβίου-τιτανίου είναι τα πιο πλατιά χρησιμοποιούμενα υλικά υπερμαγνητών.

Το 1986, η ανακάλυψη υπεραγωγών υψηλής θερμοκρασίας (high temperature superconductors) από τους Georg Bednorz και Karl Alexander Müller αύξηση την πιθανότητα μαγνητών που μπορούσαν να ψυχθούν από υγρό άζωτο αντί για το πιο δύσχρηστο ήλιο.

Το 2007 μαγνήτης με σπείρωμα από YBCO πέτυχε πεδίο 26,8 Τ.[8]

Το 2015, 37,5 T μπορούν να βρεθούν στο High Field Magnet Laboratory (HFML) [9]

Χρήσεις

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
Μηχάνημα μαγνητικής τομογραφίας (MRI) που χρησιμοποιεί υπεραγώγιμο μαγνήτη. Ο μαγνήτης είναι μέσα σε περίβλημα σχήματος ντόνατ και μπορεί να δημιουργήσει πεδίο 3 Τ στην κεντρική οπή.

Οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες έχουν έναν αριθμό πλεονεκτημάτων έναντι των ηλεκτρομαγνητών με ηλεκτρική αντίσταση. Μπορούν να δημιουργήσουν πεδία που είναι μέχρι και 10 φορές πιο ισχυρά από αυτά που δημιουργούνται από ηλεκτρομαγνήτες με σιδηρομαγνητικό πυρήνα, που περιορίζονται σε πεδία περίπου 2 T. Το πεδίο είναι γενικά πιο σταθερό, με αποτέλεσμα μετρήσεις με λιγότερο θόρυβο. Μπορεί να είναι πιο μικροί και η περιοχή στο κέντρο του μαγνήτη όπου δημιουργείται το πεδίο είναι κενή αντί να καταλαμβάνεται από σιδερένιο πυρήνα. Το πιο σημαντικό, για μεγάλους μαγνήτες, είναι ότι καταναλώνουν πολύ λιγότερη ισχύ. Στη μόνιμη κατάσταση (δείτε παραπάνω), η μόνη ισχύς που καταναλίσκεται από τον μαγνήτη είναι ο εξοπλισμός ψύξης που χρειάζεται για να διατηρήσει την κρυογονική θερμοκρασία. Μεγαλύτερα πεδία, όμως μπορούν να επιτευχθούν με ειδικούς ψυχόμενους ηλεκτρομαγνήτες αντίστασης, καθώς τα υπεραγώγιμα σπειρώματα εισέρχονται στην κανονική (μη αγώγιμη) κατάσταση (δείτε παραπάνω, απόσβεση μαγνήτη) σε υψηλά πεδία. Σταθερά πεδία με πάνω από 40 T μπορούν τώρα να επιτευχθούν από πολλούς οργανισμούς παγκοσμίως συνδυάζοντας συνήθως ηλεκτρομαγνήτη Bitter με υπεραγώγιμο μαγνήτη (συνήθως ως εισαγωγή).

Οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες χρησιμοποιούνται πλατιά σε μηχανήματα μαγνητικής τομογραφίας, σε συσκευές πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, φασματογραφίας μάζας (mass spectrometers), σε διεργασίες μαγνητικού διαχωρισμού και σε επιταχυντές σωματίδιων.

Μια από τις πιο απαιτητικές χρήσεις υπεραγώγιμων μαγνητών είναι στον μεγάλο επιταχυντή αδρονίων.[10] Οι μαγνήτες νιοβίου-τιτανίου (Nb-Ti) λειτουργούν στους operate at 1,9 K για να μπορούν να λειτουργούν με ασφάλεια στα 8,3 T. Κάθε μαγνήτης αποθηκεύει 7 MJ. Συνολικά οι μαγνήτες αποθηκεύουν 10,4 gigajoules (2,5 tons of TNT). Μια ή δυο φορές τη μέρα, καθώς επιταχύνονται τα πρωτόνια από 450 GeV στα 7 TeV, το πεδίο των υπεραγώγιμων μαγνητών αυξάνεται από 0,54 T σε 8,3 T.

Το κεντρικό σωληνοειδές και οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες του δακτυλιοειδούς πεδίου που σχεδιάστηκαν για τον αντιδραστήρα σύντηξης ITER χρησιμοποιούν νιόβιο-κασσίτερο (Nb3Sn) ως υπεραγωγό. Το κεντρικό σωληνοειδές πηνίο θα μεταφέρει 46 kA και θα παράγει πεδίο 13,5 teslas. Τα 18 πηνία του δακτυλιοειδούς πεδίου στο μέγιστο πεδίο των 11,8 T θα αποθηκεύουν 41 GJ. Έχουν δοκιμαστεί σε μέγιστο 80 kA. Άλλα χαμηλότερα πεδία μαγνητών ITER (PF και CC) θα χρησιμοποιούν νιόβιο-τιτάνιο. Οι περισσότεροι από τους μαγνήτες ITER θα έχουν μεταβαλλόμενο το πεδίο τους πολλές φορές ανά ώρα.

Οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες που αναπτύχθηκαν από το ΜΙΤ για τον αντιδραστήρα σύντηξης SPARC όταν δοκιμάστηκαν το 2021 ανέπτυξαν πεδίο 20 Τέσλα, το ισχυρότερο που έχει καταγραφεί για υπεραγώγιμους μαγνήτες.[11]

Ένα υψηλής ανάλυσης φασματοφωτόμετρο μάζας σχεδιάζεται να χρησιμοποιήσει υπεραγώγιμο μαγνήτη 21 Tesla SC.[12]

Παγκοσμίως το 2014, η υπεραγωγιμότητα ήταν απαραίτητη σε έναν κύκλο εργασιών περίπου πέντε δισεκατομμυρίων ευρώ.[13] Τα συστήματα μαγνητικής τομογραφίας, που τα περισσότερά τους χρησιμοποιούν νιόβιο-τιτάνιο, αντιστοιχούν στο περίπου 80% αυτού του συνόλου.

Παραπομπές

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
  1. ↑ «Interim Summary Report on the Analysis of the 19 September 2008 Incident at the LHC» (PDF). CERN. 
  2. ↑ Peterson, Tom. «Explain it in 60 seconds: Magnet Quench». Symmetry Magazine. Fermilab/SLAC. Ανακτήθηκε στις 15 Φεβρουαρίου 2013. 
  3. ↑ http://home.web.cern.ch/about/engineering/restarting-lhc-why-13-tev
  4. ↑ 4,0 4,1 4,2 http://www.symmetrymagazine.org/article/december-2014/first-lhc-magnets-prepped-for-restart
  5. ↑ Yntema, G.B. (1955). «Superconducting winding for electromagnets». Physical Review (APS) 98: 1197. doi:10.1103/PhysRev.98.1144  . Bibcode: 1955PhRv...98.1144.. 
  6. ↑ Kunzler, J.E.; Buehler, E.; Hsu, F.S.L.; Wernick, J.H. (1961). «Superconductivity in Nb3Sn at High Current Density in a Magnetic Field of 88 kilogauss». Physical Review Letters (APS) 6: 890. doi:10.1103/physrevlett.7.215  . Bibcode: 1961PhRvL...7..215K. 
  7. ↑ Berlincourt, T.G.; Hake, R.R. (1962). «Pulsed-Magnetic-Field Studies of Superconducting Transition Metal Alloys at High and Low Current Densities». Bulletin of the American Physical Society (APS) II (7): 408. doi: . 
  8. ↑ «New mag lab record promises more to come». News Release. National High Magnetic Field Laboratory, USA. 7 Αυγούστου 2007. doi:[1] Check |doi= value (βοήθεια). Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 12 Οκτωβρίου 2008. Ανακτήθηκε στις 23 Οκτωβρίου 2008. 
  9. ↑ http://www.spacedaily.com/reports/Superconductor_survives_ultra_high_magnetic_field_999.html.  Missing or empty |title= (βοήθεια)
  10. ↑ http://irfu.cea.fr/Phocea/file.php?class=std&file=Seminaires/1595/Dapnia-Nov07-partB.ppt Operational challenges of the LHC
  11. ↑ Chandler, David (8 Σεπτεμβρίου 2021). «MIT-designed project achieves major advance toward fusion energy». MIT News (στα Αγγλικά). Massachusetts Institute of Technology. Ανακτήθηκε στις 13 Απριλίου 2022. 
  12. ↑ «Bruker Daltonics Chosen to Build World’s First 21.0 Tesla FT-ICR Magnet». 29 Oct 2010. http://www.genengnews.com/gen-news-highlights/bruker-daltonics-chosen-to-build-world-s-first-21-0-tesla-ft-icr-magnet/81244156/. 
  13. ↑ «Conectus - Market». www.conectus.org. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 11 Αυγούστου 2014. Ανακτήθηκε στις 22 Ιουνίου 2015. 

Παραπέρα μελέτη

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]
  • 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, (Oct 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

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

[Επεξεργασία | επεξεργασία κώδικα]