Iman superconductor

Iman superconductor

Esquema d'un iman superconductor de 20 tesla en un orifici vertical.

Un iman superconductor és un electroimant fabricat a partir de espiras d'aram d'un material superconductor. Durant el seu funcionament deuen ser refrigerats per a mantindre'ls a temperatures criogèniques.

En el seu estat superconductor l'aram pot conduir una corrent elèctrica molt major que la que soporta un aram comú, creant camps magnètics intensos. Els imans superconductores poden produir camps magnètics majors que els electroimanes convencionals més poderosos i poden ser més econòmics d'operar ya que no es dissipa energia en forma de calor en les seues bobinados. Li'ls utilisa en la construcció de màquines d'imàgens per resonància magnètica usades en hospitals, i en equips científics tals com espectrómetros de massa i acceleradors de partícules.

Anomalies

Extinció magnètica

Una extinció és una terminació anormal de l'operació de l'iman que ocorre quan part de la bobina superconductora entra en l'estat normal (resistivo). Açò pot ocórrer perque el camp magnètic dins de l'iman és massa gran, la taxa de canvi de camp és massa gran (lo que provoca corrents paràsites i el calfament resultant en la matriu de soport de coure) o una combinació d'abdós. Més rarament, un defecte en l'iman pot causar un apagat. Quan açò succeïx, eixe lloc en particular està subjecte a un ràpit calfament Joule per l'enorme corrent, que eleva la temperatura de les regions circumdants. Açò també espenta a eixes regions a l'estat normal, lo que conduïx a un major calfament en una reacció en cadena. Tot l'iman es normalisa ràpidament (açò pot dur varis segons, depenent del tamany de la bobina superconductora). Açò s'acompanya d'un fort esclat quan l'energia del camp magnètic es convertix en calor i el líquit criogènic s'evapora ràpidament. La disminució abrupta de la corrent pot provocar picos de voltage inductivo de kilovoltios i arcs elèctrics. El dany permanent a l'iman és rar, pero els components poden danyar-se per calfament localisat, alts voltages o grans forces mecàniques. En la pràctica, els imans solen tindre dispositius de seguritat per a detindre o llimitar la corrent quan es detecta el començ d'un refredat. Si un iman gran es gela, el vapor inerte format pel decorregut criogènic que s'evapora pot presentar un perill d'asfíxia significatiu per als operadors en desplaçar l'aire respirable.

Una gran part dels imans superconductores del Gran Colisionador de Hadrones del CERN es varen apagar inesperadament durant les operacions de posada en marcha en 2008, lo que va requerir la tongada de varis imans. Per a mitigar els apagons potencialment destructius, els imans superconductores que formen el LHC estan equipats en calfadors de rampa ràpida que s'activen una volta que el complex sistema de protecció de refredat detecta un event de refredat. Com els imans de flexión dipol estan conectats en série, cada circuit de potència inclou 154 imans individuals, i si ocorre un event d'apagat, tota l'energia almagasenada combinada d'estos imans deu ser descarregada d'una volta. Esta energia es transferix a abocadors que són blocs massius de metal que es calfen fins a varis centenars de graus Celsius pel calfament resistivo en qüestió de segons. Encara que no és desijable, l'extinció d'un iman és un "event prou rutinari" durant el funcionament d'un accelerador de partícules. Refrigeració Durant l'operació, els devanados magnètics deuen gelar-se per baix de la seua temperatura crítica, la temperatura a la que el material del devanado canvia de l'estat resistivo normal i es convertix en un superconductor, que es troba en el ranc criogènic molt per baix de la temperatura ambiente. Per lo general, els devanados es gelen a temperatures significativament inferiors a la seua temperatura crítica, perque quant més baixa és la temperatura, millor funcionen els devanados superconductores, és dir, majors són les corrents i els camps magnètics que poden soportar sense tornar al seu estat no superconductor. Dos tipos de sistemes de refredat s'utilisen comunament per a mantindre els devanados magnètics a temperatures suficients per a mantindre la superconductividad:

Refrigerat per líquit L'heli líquit s'utilisa com refrigerante para molts devanados superconductores. Té un punt d'ebullició de 4,2 K, molt per baix de la temperatura crítica de la majoria dels materials de bobinado. L'iman i el refrigerante estan continguts en un recipient aïllat tèrmicament (dewar) cridat criostato. Per a evitar que l'heli s'evapore, el criostato generalment es construïx en una camisa exterior que conté nitrogen líquit (significativament més barat) a 77 K. Alternativament, es coloca un escut tèrmic fet de material conductor i mantingut en un ranc de temperatura de 40 K a 60 K, gelat per conexions conductores al cabezal fret del crioenfriador, al voltant del recipient ple d'heli per a mantindre l'entrada de calor a este últim a un nivell acceptable. Un dels objectius de la busca de superconductores d'alta temperatura és construir imans que puguen gelar-se solament en nitrogen líquit. A temperatures superiors a uns 20 K, es pot conseguir el refredat sense hervir els líquits criogènics. [cita requerida]

Refrigeració mecànica

Per l'aument dels costs i a la disminució de la disponibilitat d'heli líquit, molts sistemes superconductores es gelen per mig de refrigeració mecànica de dos etapes. En general, s'ampren dos tipos de refrigeradores criogènics mecànics que tenen suficient potència de refredat per a mantindre els imans per baix de la seua temperatura crítica. El refrigerador criogènic Gifford-McMahon ha estat disponible comercialment des de la década de 1960 i ha trobat una aplicació generalisada. [1] [2] [3] [4] El cicle del regenerador G-M en un refrigerador criogènic funciona utilisant un desplazador de pistón i un bescanviador de calor. Per una atra part, 1999 va marcar la primera aplicació comercial en la que es va utilisar un refrigerador criogènic de tubo de pols. Este disseny de refrigerador criogènic s'ha tornat cada volta més comú per la baixa vibració i el llarc interval de servici, ya que els dissenys de tubos de pols utilisen un procés acústic en lloc de desplaçament mecànic. En un refrigerador típic de dos etapes, la primera etapa oferirà una major capacitat de refredat pero a una temperatura més alta (≈77 K) i la segona etapa alcançarà ≈4.2 K i < 2.0 W de potència de refredat. En us, la primera etapa s'utilisa principalment per al refredat auxiliar del criostato i la segona etapa s'utilisa principalment per a gelar l'iman.

Materials de bobinado de bobines El camp magnètic màxim alcanzable en un iman superconductor està llimitat pel camp en el que el material del devanado deixa de ser superconductor, el seu "camp crític", Hc, que per als superconductores de tipo II és el seu camp crític superior. Un atre factor limitante és la "corrent crítica", Ic, a la que el material del devanado també deixa de ser superconductor. Els alvanços en imans s'han centrat en la creació de millors materials de bobinado.

Les porcions superconductoras de la majoria dels imans actuals estan compostes de niobi-titani. Este material té una temperatura crítica de 10 K i pot superconducir fins a unes 15 T. Els imans més cars poden estar fets de niobi-estany (Nb3Sn). Estos tenen una Tc de 18 K. Quan funcionen a 4,2 K, són capaces de soportar una intensitat de camp magnètic molt major, de fins a 25 T a 30 T. Desafortunadament, és molt més difícil fabricar els filaments necessaris a partir d'este material. Esta és la raó per la que a voltes s'utilisa una combinació de Nb3Sn per a les seccions de camp alt i NbTi per a les seccions de camp inferior. El vanadi-gali és un atre material utilisat per als insertos d'alt camp.

Els superconductores d'alta temperatura (per eixemple, BSCCO o YBCO) es poden utilisar per a insertos d'alt camp quan els camps magnètics requerits són més alts de lo que Nb3Sn pot manejar. [cita requerida] El BSCCO, el YBCO o el diboruro de magnesi també es poden utilisar per als cables de corrent, conduint altes corrents des de la temperatura ambiente cap a l'iman fret sense una gran fuga de calor dels cables resistivos. [cita requerida]

Estructura del director Els devanados de la bobina d'un iman superconductor estan fets d'arams o cintes de superconductores de tipo II (per eixemple, niobi-titani o niobi-estany). L'aram o la cinta en sí pot estar fet de menuts filaments (d'uns 20 micrómetros de gruixa) de superconductor en una matriu de coure. El coure és necessari per a agregar estabilitat mecànica i per a proporcionar un camí de baixa resistència per a les grans corrents en cas que la temperatura aumente per damunt de Tc o la corrent s'eleve per damunt de Ic i es perga la superconductividad. Estos filaments deuen ser aixina de menuts perque en este tipo de superconductor la corrent solament fluïx en una capa superficial la gruixa de la qual està llimitat a la profunditat de penetració de Londres (vore Efecte pell). La bobina deu dissenyar-se cuidadosadament per a soportar (o contrarrestar) la pressió magnètica i les forces de Lorentz que, d'un atre modo, podrien causar la fractura del cable o el aplastamiento de l'aïllament entre regressos adjacents.

Operació

Iman superconductor d'orifici horisontal de 7 T, part d'un espectrómetro de masses. L'iman en sí està dins del criostato cilíndric. Font d'alimentació

La corrent als devanados de la bobina és proporcionada per una font d'alimentació de CC d'alta corrent i molt baix voltage, ya que en estat estacionario l'únic voltage a través de l'iman es deu a la resistència dels cables d'alimentació. Qualsevol canvi en la corrent a través de l'iman deu fer-se molt llentament, primer perque eléctricamente l'iman és un inductor gran i un canvi abrupte de corrent donarà com resultat un gran pico de voltage a través dels devanados i, lo que és més important, perque els canvis ràpits en la corrent poden causar corrents de Foucault i tensions mecàniques en els devanados que poden precipitar un refredat (vore més avall). Per lo tant, la font d'alimentació sol estar controlada per un microprocessador, programada per a realisar canvis de corrent gradualment, en rampes suaus. Per lo general, es necessiten varis minuts per a energizar o desenergizar un iman del tamany d'un laboratori.

Modo persistent Un modo de funcionament alternatiu utilisat per la majoria dels imans superconductores és cortocircuitar els devanados en un tros de superconductor una volta que l'iman s'ha energizado. Els devanados es convertixen en un bucle superconductor tancat, la font d'alimentació es pot apagar i les corrents persistents fluiran durant mesos, preservant el camp magnètic. La ventaja d'esta manera persistent és que l'estabilitat del camp magnètic és millor de lo que es pot conseguir en les millors fonts d'alimentació, i no es necessita energia per a alimentar els devanados. El curtcircuit es realisa per mig d'un "interruptor persistent", una peça de superconductor dins de l'iman conectada a través dels extrems del devanado, unida a un chicotet calfador. [5] Quan l'iman s'encén per primera volta, el cable de l'interruptor es calfa per damunt de la seua temperatura de transició, per lo que és resistivo. Ya que el devanado en sí no té resistència, no fluïx corrent a través del cable de l'interruptor. Per a passar al modo persistent, la corrent de suministrament s'ajusta fins a obtindre el camp magnètic desijat, després s'apaga el calfador. L'interruptor persistent es gela a la seua temperatura superconductora, cortocircuitando els devanados. A continuació, es pot apagar la font d'alimentació. La corrent de devanado, i el camp magnètic, en realitat no persistiran per a sempre, sino que decauran llentament d'acort en una constant de temps inductiva normal (L / R):

𝐻 ( 𝑡 ) = 𝐻 0 𝑒 − ( 𝑅 / 𝐿 ) 𝑡 , {displaystyle H(t)=H_{0}i^{-(R/L)t},} On 𝑅 {displaystyle R} és una chicoteta resistència residual en els devanados superconductores per juntes o a un fenomen cridat resistència al moviment del fluix. Casi tots els imans superconductores comercials estan equipats en interruptors persistents.

Refredat magnètic

Un refredat és una terminació anormal del funcionament de l'iman que ocorre quan part de la bobina superconductora entra en l'estat normal (resistivo). Açò pot ocórrer perque el camp dins de l'iman és massa gran, la taxa de canvi de camp és massa gran (lo que provoca corrents de Foucault i el calfament resultant en la matriu de soport de coure) o una combinació d'abdós. Més rarament, un defecte en l'iman pot causar un refredat. Quan açò succeïx, eixe lloc en particular està subjecte a un ràpit calfament Joule de l'enorme corrent, que eleva la temperatura de les regions circumdants. Açò espenta eixes regions a l'estat normal també, lo que conduïx a un major calfament en una reacció en cadena. Tot l'iman es normalisa ràpidament (açò pot tardar varis segons, depenent del tamany de la bobina superconductora). Açò va acompanyat d'un fort esclat a mida que l'energia del camp magnètic es convertix en calor i un ràpit evaporament del decorregut criogènic. La disminució abrupta de la corrent pot donar lloc a picos de tensió inductivos de kilovoltios i a la formació d'arcs. El dany permanent a l'iman és rar, pero els components poden danyar-se per calfament localisat, alts voltages o grans forces mecàniques. En la pràctica, els imans solen tindre dispositius de seguritat per a detindre o llimitar la corrent quan es detecta el començ d'un refredat. Si un iman gran s'apaga, el vapor inerte format pel decorregut criogènic que s'evapora pot presentar un perill significatiu d'asfíxia per als operadors en desplaçar l'aire respirable.

Una gran secció dels imans superconductores del Gran Colisionador de Hadrones de el CERN es va apagar inesperadament durant les operacions de posada en marcha en 2008, lo que va obligar a substituir varis imans. [6] En la finalitat de mitigar els refredats potencialment destructius, els imans superconductores que formen el LHC estan equipats en calfadors de rampa ràpida que s'activen una volta que el complex sistema de protecció contra refredat detecta un event de refredat. Com els imans de flexión dipolar estan conectats en série, cada circuit d'alimentació inclou 154 imans individuals i, en cas que ocórrega un event de refredat, tota l'energia almagasenada combinada d'estos imans deu descarregar-se al mateix temps. Esta energia es transferix a abocadors que són blocs massius de metal que es calfen fins a varis centenars de graus centígrats pel calfament resistivo en qüestió de segons. Encara que no és desijable, el refredat d'un iman és un "event prou rutinari" durant el funcionament d'un accelerador de partícules. [7]

"Entrenament" Magnet En certs casos, els imans superconductores dissenyats per a corrents molt altes requerixen un ampli llit per a permetre que els imans funcionen a les seues corrents i camps planificats complets. Açò es coneix com "entrenament" de l'iman i implica un tipo d'efecte de memòria material. Una situació en la que açò és necessari és el cas dels colisionadores de partícules, com el Gran Colisionador de Hadrones de el CERN. [8] [9] Els imans de el LHC estaven planejats per a funcionar a 8 TeV (2 × 4 TeV) en la seua primera eixecució i a 14 TeV (2 × 7 TeV) en la seua segona eixecució, pero inicialment varen funcionar a una energia més baixa de 3,5 TeV i 6,5 TeV per fes respectivament. Pels defectes cristalográficos inicials en el material, inicialment perdran la seua capacitat superconductora ("refredat") a un nivell més baix que la seua corrent de disseny. El CERN afirma que açò es deu a les forces electromagnètiques que provoquen menuts moviments en els imans, que a la seua volta fan que es perga la superconductividad quan s'opera en l'alta precisió necessària per a la seua corrent planificada. [9] En fer funcionar repetidament els imans a una corrent més baixa i després aumentar llaugerament la corrent fins que s'apaguen baix control, l'iman guanyarà gradualment la capacitat requerida per a soportar les corrents més altes de la seua especificació de disseny sense que es produïxquen refredats, i tindrà tals problemes "sacsats" d'ells, fins que finalment puguen funcionar de manera confiable a la seua corrent planificada completa sense experimentar refredats. [9]

Història [ícono]

Esta secció necessita ser ampliada. Pots ajudar afegint-li alguna cosa. (Setembre 2008) Encara que l'idea de fabricar electroimanes en aram superconductor va ser proposta per Heike Kamerlingh Onnes poc despuix de descobrir la superconductividad en 1911, un electroimant superconductor pràctic va tindre que esperar el descobriment de materials superconductores que pogueren soportar grans densitat crítiques de supercorriente en camps magnètics alts. El primer iman superconductor exitós va ser construït per G.B. Yntema en 1955 utilisant aram de niobi i va alcançar un camp de 0,7 T a 4,2 K.[10] Després, en 1961, J.E. Kunzler, E. Buehler, F.S.L. Hsu i J.H. Wernick varen fer el descobriment de que un compost de niobi i estany podia soportar densitat crítiques de supercorriente superiors a 100.000 amperis per centímetro quadrat en camps magnètics de 8,8 tesles. [11] A pesar de la seua naturalea fràgil, el niobi-estany ha demostrat ser extremadament útil en superimanes que generen camps magnètics de fins a 20 T.

L'interruptor persistent va ser inventat en 1960 per Dwight Adams mentres era associat postdoctoral en l'Universitat de Stanford. El segon interruptor persistent va ser construït en l'Universitat de Florida per l'estudiant de mestrage R.D. Lichti en 1963. S'ha conservat en una vitrina en l'Edifici de Física de la UF.

En 1962, T.G. Berlincourt i R.R. Hake[12] varen descobrir les propietats d'alt camp magnètic crític i alta densitat crítica de supercorriente de les aleacions de niobi i titani. Encara que les aleacions de niobi-titani posseïxen propietats superconductoras menys espectaculars que el niobi-estany, són altament dúctils, fàcils de fabricar i econòmiques. Útils en superimanes que generen camps magnètics de fins a 10 tesles, les aleacions de niobi-titani són els materials de superimanes més utilisats.

En 1986, el descobriment dels superconductores d'alta temperatura per Georg Bednorz i Karl Müller energizó el camp, plantejant la possibilitat d'imans que pogueren gelar-se en nitrogen líquit en lloc de l'heli, que és més difícil de treballar.

En 2007, un iman en devanados de YBCO va alcançar un camp récort mundial de 26,8 T. [13] El Consell Nacional d'Investigació de EE. UU. té l'objectiu de crear un iman superconductor de 30 tesles.

A nivell mundial, en 2014, es va produir una activitat econòmica per valor d'uns cinc mil millons d'euros, de la que la superconductividad és indispensable. Els sistemes de resonància magnètica, la majoria dels quals ampren niobi-titani, varen representar al voltant del 80% d'eixe total. [14]

En 2016, Yoon et al. varen informar d'un iman superconductor sense aïllament de 26 T que varen construir a partir de GdBa2Cu3O7–x,[15] utilisant una tècnica que es va informar prèviament en 2013. [16]

En 2017, un iman YBCO creat pel Laboratori Nacional d'Alts Camps Magnètics (NHMFL) va batre el récort mundial anterior en una força de 32 T. Es tracta d'un iman d'usuari totalment superconductor, dissenyat per a durar moltes décades. Tenen el récort actual a partir de març de 2018.

En 2019, l'Institut d'Ingenieria Elèctrica de l'Acadèmia de Ciències de China (IEE, CAS) va conseguir un nou récort mundial de 32,35 T en un iman totalment superconductor. [17] També s'utilisa la tècnica sense aïllament per a l'iman d'inserció HTS.

En 2019, el NHMFL també va desenrollar una bobina de prova YBCO no aïllada combinada en un iman resistivo i va trencar el propi récort mundial del laboratori per al camp magnètic continu més alt per a qualsevol configuració d'iman a 45,5 T.

En 2020 es va conseguir un iman de RMN d'1,2 GHz (28,2 T)[20] utilisant un iman HTS. [21]

En 2022, els Instituts de Ciències Físiques de Hefei, Acadèmia Chinenca de Ciències (HFIPS, CAS) reclamen un nou récort mundial per al camp magnètic estable més fort de 45,22 T alcançat,[22] [23] mentres que el récort anterior de NHMFL 45,5 T en 2019 es va alcançar quan l'iman va fallar immediatament en un apagat.

Usos

Una màquina de resonància magnètica que utilisa un iman superconductor. L'iman està dins de la carcassa en forma de rosquilla i pot crear un camp de 3 tesles dins de l'orifici central. Els imans superconductores tenen una série de ventages sobre els electroimanes resistivos. Poden generar camps magnètics molt més forts que els electroimanes de núcleu ferromagnético, que estan llimitats a camps d'al voltant de 2 T. El camp és generalment més estable, lo que resulta en medicions menys sorolloses. Poden ser més menuts, i l'àrea en el centre de l'iman a on es crea el camp està buida en lloc d'estar ocupada per un núcleu de ferro. Els imans grans poden consumir molta menys energia. En l'estat persistent (dalt), l'única energia que consumix l'iman és la necessària per a l'equip de refrigeració. Es poden conseguir camps més alts en electroimanes resistivos gelats, ya que les bobines superconductoras entren en l'estat no superconductor en camps alts. Es poden conseguir camps estables de més de 40 T, generalment combinant un electroimant amarc en un iman superconductor (a sovint com un inserte).

Els imans superconductores s'utilisen àmpliament en màquines de resonància magnètica, equips de resonància magnètica, espectrómetros de masses, processos de separació magnètica i acceleradors de partícules.