السجلات المغناطيسية

سنتحدث اليوم عن مغناطيسات التسجيل وقليلاً عن سبب الحاجة إليها.


تظل مغناطيسات هذا التصميم (مغناطيسات مريرة مقاومة) عاملة في مختبرات المجالات المغناطيسية القوية.

كان المستهلك هو المستهلك الرئيسي لأقوى المغناطيس طوال القرن العشرين. تتطلب المنشآت النووية الحرارية ، والمسرعات ، وأبحاث الرنين المغناطيسي النووي ، وفيزياء النيوترونات ، والتبريد إلى درجات حرارة أقل من 1 كلفن ، وأكثر من ذلك بكثير تتطلب أعلى كثافة / تحريض مغناطيسي ممكن (عند النظر في "قوة" المجال ، يمكن اعتبار هذه القيم مترادفة).



مغناطيس قياسي آخر ، لن نتحدث عنه اليوم ، هو ثنائي القطب مزدوج مسرع LHC - من أصل 1232 ، يتم الاتصال بحلقة رئيسية. يتم إنشاء حقل ~ 9 T بواسطة كبل موصل فائق من NbTi مبرد إلى 1.8 كلفن

قبل الشروع في تصميمات محددة ، من الجدير بالذكر أن طاقة المجال المغناطيسي ، وقوة تأثيره على الشحنات الكهربائية والمغنطيسية ، تعتمد على الحث B كمربع. على سبيل المثال حقل 10 تسلا يحمل 100 طاقة أكثر من حقل 1 تسلا. السمة الهامة هي مجال الضغط على الأنابيب الحالية ، وهو 4 B ^ 2 في الغلاف الجوي. على سبيل المثال بالنسبة لمصمم مغناطيسي ، فإن حقل 100 تي يعادل محاولة إنشاء بالون لـ 40،000 جو - وهي مهمة صعبة للغاية. يوضح هذا أيضًا أن المغناطيس القوي ذو الحجم العامل الكبير ( مثل ITER ) أكثر تعقيدًا من المغناطيس القوي فقط.


سجل غير عادي آخر هو مغناطيس الموصلية الفائقة للالنجم الألماني Wendelstein 7-X ذو الهندسة المعقدة.

لذا ، سنبدأ بتحديد بعض الإحداثيات. تتميز المغناطيسات الدائمة ، التي يتم تصنيعها من قبل الصناعة ، بقيم المجال من 0.01 إلى 0.5 طن ، ومغناطيسات النيوديميوم من 0.5 طن تعتبر بالفعل "قوية". سجل يمكن عصره من المغناطيس الدائم ~ 1.5 طن على السطح.

في الآلات الكهربائية (المحركات والمولدات والمحولات) ، يكون المجال داخل الدوائر المغناطيسية الحديدية محدودًا بتشبع الحديد ، الحقول التي تبلغ حوالي 1.8-2.2 T. في الفجوة الهوائية لمحرك غير متزامن نموذجي ، سترى على الأرجح حقل 0.5-0.8 T ، للمحركات ذات القوة القياسية وخصائص الكتلة BLDC (4-5 kW / kg) - 1 ... 1.2 T.


تطبيق أصلي إلى حد ما لقوة مغناطيس النيوديميوم هو محرك كهربائي 19 كيلوواط (الأسطوانة الحمراء في الصورة) ، 2 منها يدور المؤكسد ومضخات الوقود على محرك صاروخ Rocketford Rocket Lab الجديد.

في مكان ما بدءًا من 1.5 طن ، تبدأ المغناطيسات الكهربائية النحاسية التقليدية في مواجهة الصعوبات ، في المقام الأول مع تبديد الحرارة. الحاجة إلى خلط النحاس مع أنابيب تبريد المياه ، وكذلك الجهد المتزايد بين الدوران ، تتضخم أبعاد المغناطيس بشكل أسرع بكثير من نمو المجال. تقدم المنعطفات التي تقع بعيدًا عن حجم العمل مساهمة صغيرة نسبيًا في المجال ، مما يعني أن التيار يُنفق بشكل رئيسي على تسخين المغناطيس ، وليس على إنشاء المجال.

نحاس

ومع ذلك ، منذ الثلاثينيات وحتى الآن تقريبًا ، تم تحقيق حقول ثابتة قياسية في مغناطيس النحاس العادي المبرد بالماء. هذه هي ما يسمى بمغناطيس المر ، وهي عبارة عن صفيحة نحاسية ملتوية في شكل لولبي ولها نظام ماكر لقنوات التبريد الطولية. تتميز هذه المغناطيسات بكثافات تيار وحشية (تصل إلى 700 أمبير / مم ^ 2) ، وقوى كهربائية تبلغ 1.10 وحتى 30 ميجاوات ، واستهلاك مياه التبريد لعشرات ومئات اللترات في الثانية. تم إطلاق أول 10 تي مغناطيس في عام 1936 ، وعلى مدى الثلاثين عامًا التالية ، سجل رقماً قياسياً في مجال ثابت.

60s مغناطيسات مريرة أمريكية في 25 تسلا.

تم تحسين هذا التصميم للمغناطيسات بشكل متكرر ، واليوم تم رفع السجل الميداني في مثل هذه المغناطيس إلى 38.5 طن في المختبر الصيني لـ CHMFL. كانت الطاقة المغناطيسية 28.5 ميجاوات مع تدفق مياه تبريد 500 لتر في الثانية (بالمناسبة ، يبدو أنك بحاجة إلى إضافة نفس الطاقة المغناطيسية إلى المضخات التي تضخ هذه المياه من خلال المغناطيس). التيار حوالي 36 ألف أمبير. في هذه الحالة ، يتم تحقيق حقل تسجيل بحجم لا يتجاوز قطره 32 مم وطوله حوالي 70 مم.




المغناطيس الصيني المقاوم - سجل واحد من اللولبي اللولبي (مصنوع من سبيكة CuAg) ، قسم ومجموعة من الملفات المحورية.

اقتربت مغناطيسات المقاومة اليوم من حدود قدرات المواد ، وينمو الحد الأقصى للحقل المتاح فيها على نطاق واسع بشكل رئيسي - من خلال زيادة قوة نظام الإمداد بالطاقة والتبريد ، وزيادة عدد الملفات. تستخدم هذه المغناطيسات اليوم بشكل أساسي لدراسة الظواهر الفيزيائية المتنوعة للغاية في عينات صغيرة ، غالبًا في درجات حرارة منخفضة. لذلك ، تعمل هذه المغناطيسات في مراكز الاستخدام الجماعي ، عندما يحضر الفيزيائيون عيناتهم ومعداتهم ، يثبتونها على المغناطيس ويقيسون الكميات التي يحتاجونها. بالنسبة للعينات الصغيرة ، من الملائم تمامًا استخدام المغناطيسات ذات الخلوص الصغير ، مثل 20-30 ملم.


الجزء العلوي من مغناطيس مرير 30T بدون غطاء. هنا يمكنك رؤية افتتاح غرفة البحث وفتحات لتزويد مياه التبريد.

ومع ذلك ، هناك تطبيق آخر للمجالات المغناطيسية الكبيرة اليوم - هذا هو التصوير بالرنين المغناطيسي النووي ، أي رسم خرائط كثافة الأنسجة بسبب تفاعل الهيدروجين مع الموجات الراديوية في مجال مغناطيسي قوي. كلما زاد المجال ، زادت الدقة المكانية للنظام. تتطلب هذه الأنظمة حجم عمل كبير إلى حد ما من المغناطيس بالإضافة إلى تجانس ميداني مرتفع. يتطلب البحث في مجال الموصلية الفائقة بدورها أجهزة تبريد ، والتي يصعب احتواؤها بقطر 32 مم ، ويحتاج المجال لبعض الموصلات الفائقة إلى المزيد.


الجري إلى الأمام قليلاً - التصوير المقطعي بالرنين المغناطيسي NMR فائق التوصيل مع مجال فائق (21T) ، ومساحة خلوص 110 ملم ومثال على الصورة الناتجة بدقة 26 ميكرون

لذلك ، منذ الثمانينيات من القرن العشرين ، ظهر اتجاه المغناطيس الهجين ، وفكرته هي وضع المغناطيس المر داخل مجال الموصلية الفائقة ، والتي ستضيف حقولها. هذا يسمح لك برفع الحقل أكثر دون نمو المتطلبات الوحشية بالفعل للطاقة واستهلاك مياه التبريد.

الهجينة

إن إدخال مغناطيس المر داخل الموصل الفائق يعني أن هذا الأخير يجب أن يكون لديه تصريح عمل يبلغ 400-800 مم ، أي أكثر بكثير من السجلات التي رأيناها من قبل. المغناطيس الذي يحتوي على أحجام عمل كبيرة ولكن حقل أصغر جاء إلى مختبر الحقول المغناطيسية القوية من مطوري tokamak ، حيث تم إنشاء مغناطيس فائق التوصيل يعتمد على الموصلات الفائقة الباردة - القصدير والنيوبات التيتانيوم في أواخر السبعينيات. في منتصف الثمانينيات ، تم إنشاء مغناطيس هجين من الموصلات الفائقة 11T و 22 طنًا من المرطبات بمجال إجمالي 31T في مختبر LNCMI الفرنسي للمجالات المغناطيسية القوية مع حقل إجمالي 31T ، وفي عام 2000 ، أطلق American MagLab تركيبًا هجينًا مع حقل 45T ، والذي لا يزال الرقم القياسي بين جميع المغناطيس مع مجال دائم.


حالة المغناطيس بالكامل (يسار) و cryostat (يمين)


جزء من مغناطيس هجين على ناظم البرد. بالمناسبة ، تم استخدام تصميم مغناطيس فائق التوصيل الخارجي المصمم لهذا التثبيت في ثلاث مغناطيس قياسي آخر.

يستخدم 45 Tesla hybrid ثلاثة مغناطيسات فائقة التوصيل خارجية و 4 أنواع مقاومة داخلية من فلوريدا المريرة. يستهلك الجزء المقاوم 29 ميغاوات بتيار 74 كيلو أمبير ويخلق مجالًا 31 تي. الجزء الموصل الفائق للمغناطيس يخلق مجال 14 تي ويتكون من اللفات الخارجية لـ NbTi واللفات الداخلية لـ Nb3Sn ، تعمل بتيار 8 كيلو أمبير عند درجة حرارة 4.2 K. مبردة مغناطيس فائق التوصيل - 500 مم.


45T المغناطيس الهجين الخارجي فائقة التوصيل


والمغناطيس المر الداخلي. حتى 2.5 متر من الجسم يتحول إلى غرفة عمل 32 ملم.

للمقارنة ، أذكر أن مغناطيس حلقي ITER لديه تيار سلك 68 كيلو أمبير ، حقل 12.8 T مع خلوص 9000x7000 مم ، أي يمكن للمرء أن يتخيل مدى تقدم ITER في تكنولوجيا المغناطيسات فائقة التوصيل ذات درجة الحرارة المنخفضة.


بالمناسبة ، في مغناطيس المختبر يستخدمون موصلًا بتيار أقل بكثير ، متعرجًا أكثر - وهذا يبسط نظام الطاقة والموصل نفسه. الجانب الآخر من هذا هو الفولتية الكهربائية الأكبر في النظام عندما يدخل الموصل الفائق فجأة في حالة طبيعية.

بالإضافة إلى ITER ، تقدمت هذه التقنيات إلى الأمام مع ظهور الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية الصناعية. إذا كانت SPs ذات درجة الحرارة المنخفضة لا تسمح من حيث المبدأ بإنشاء حقول أعلى من 22 T ، أي نظرًا لأنها لا يمكن أن تكون سوى جزء من مغناطيس التسجيل ، فإن HTSC يتسع هذا الحد إلى 45 T.


اعتماد كثافة التيار الحرجة على المجال لمختلف الموصلات الفائقة. بالمناسبة ، هل تساءلت يومًا عن نوع المعدات المستخدمة لبناء هذه الرسوم البيانية ولماذا ترتاح عند 45 طن؟

اليوم ، هناك اتجاه جديد في إنشاء مغناطيس قياسي هو موصل فائق تمامًا ، والآن جميع المختبرات الرائدة في العالم (الصين وهولندا وفرنسا والولايات المتحدة الأمريكية) تصمم 30+ T SP مغناطيس. هنا أيضًا ، FlorLida MagLab متقدم على الجميع ، حيث يكون تجميع مغناطيس فائق التوصيل 32 T. هنا سيتم إنشاء 15 T بمغناطيس خارجي من NbTi و Nb3Sn ، و 17 أخرى - بمغناطيس HTSC من طبقتين من أشرطة YBCO. يتم استخدام الموصلات الفائقة "ذات درجة الحرارة العالية" هنا كحقول حرجة أعلى بكثير في درجة حرارة الهليوم السائل من الحقول ذات درجة الحرارة المنخفضة.


32T مشروع مغناطيس فائق التوصيل بالكامل

تتطلب تقنيات هذا المغناطيس ما يقرب من 10 سنوات من التطوير ، وتكمن المشاكل الرئيسية في مجال القوى الدافعة عالية للغاية من جانب المجال المغناطيسي القوي إلى المنعطفات مع التيار. يصل الضغط الميكانيكي في لفائف YBCO إلى 700 ميجا باسكال - هنا ، بالمناسبة ، من المفيد أن يتكون شريط HTSC بشكل أساسي من سبيكة نيكل ذات خصائص عالية القوة - لا يتحمل النحاس مثل هذه الضغوط.


البحث والتطوير لمغناطيس HTSC عالي المجال.

ترتبط الفئة الثانية من المشاكل بالخسارة الطارئة لحالة التوصيل الفائق ، وإخراج التيار من الملفات. على وجه الخصوص ، من أجل تجنب الحرق بسبب الانتشار البطيء للمنطقة الطبيعية ، يتم بناء السخانات في الملفات ، والتي ، عند اكتشاف الانتقال ، تسخين الملف بأكمله بحيث يتم إطلاق طاقة الحقل بشكل متساوٍ.


في الآونة الأخيرة ، تم تصنيع ملف العمل الداخلي من شريط HTSC ؛ قريبًا يمكنك توقع إطلاق المغناطيس وتجميعه.

سيكون لهذا المغناطيس حجم عمل "بارد" ، وهو مناسب تمامًا لدراسة الحالات المكثفة للمادة والتأثيرات الكمية في المواد الصلبة ، في حين أنه من حيث تكاليف التشغيل ، فهو عبارة عن فئة مختلفة تمامًا من الأجهزة ، على وجه الخصوص ، جهاز تبريد ، ونظام تبريد ، ومغناطيس SP خارجي من NTSC المنتجات التسلسلية المصنعة بواسطة Oxford Instruments.



بشكل عام ، تعد أدوات أكسفورد أكبر مورد للمغناطيسات فائقة التوصيل ، خاصة لجميع التطبيقات العلمية والمخبرية في مجالات 3-15T. في مشروع ITER ، تقوم هذه الشركة ، على سبيل المثال ، بتزويد مغناطيسات 6T للجيروتونات

بشكل عام ، قبل الانتقال إلى حاملي الأرقام القياسية التالية ، أود أن أتحدث عن عدة تطبيقات لمثل هذه المغناطيسات تتجاوز مجرد توفير حامل بمجال مغناطيسي مرتفع.

يعد مطياف الرنين النووي المغنطيسي ، أحد أدوات العمل للكيميائيين ، أحد أهم المستهلكين التطبيقيين للمغناطيسات عالية المجال التسلسلي. Bruker ، على وجه الخصوص ، ينتج مقاييس مطياف بكميات كبيرة مع مجال يصل إلى 23.5T (بالمناسبة ، مثل هذه الأجهزة لديها مشاكل كبيرة إلى حد ما في فحص مثل هذا المجال من الأشخاص والأشياء المحيطة).


الزيادة التاريخية في تردد مطياف الرنين المغناطيسي النووي ، مما يسمح بتحسين جودة أطياف الرنين المغناطيسي النووي.

المستهلك التسلسلي الثاني هو التصوير المقطعي بالرنين المغناطيسي عالي الدقة ، والذي يستخدم في الدراسات البيولوجية والعصبية الحيوية. هنا تصل الحقول إلى 21T. وأخيرًا ، تعتبر المراكز ذات المصادر النيوترونية مستهلكًا أقل تطبيقًا إلى حد ما ، إحدى طرق دراسة الظواهر الكمومية المغناطيسية هي دراسة التشتت النيوتروني على المادة في مجال مغناطيسي قوي ، بالإضافة إلى ثلاجات لدرجات حرارة تحت الجسيمات ، تتطلب حقول من 8 إلى 20 T.


فيديو من تجميع مغناطيس 26T مع خلوص كبير لدراسة تشتت النيوترونات المستقطبة على المادة في Helmholtz-Zentrum Berlin

الاندفاع المغناطيس

يتم تسهيل المشكلات الهندسية الرئيسية لإنشاء مغناطيسات عالية المجال - بالوعة الحرارة والقوة - إلى حد كبير إذا انتقلنا من مجال مغناطيسي ثابت إلى مجال نابض. في المقابل ، تنقسم أنظمة النبض إلى قابلة لإعادة الاستخدام والتخلص منها :)

ومن المثير للاهتمام أن الرائد في مجال المغناطيس النابض هو بيتر كابيتسا ، الذي شارك في منشآت مماثلة في العشرينات في مختبر كافنديش في إنجلترا. عند إغلاق خرج مولد دوار كبير للملف اللولبي ، حصل على ما يصل إلى 50 طنًا لعدة مللي ثانية. مثل هذا النهج جعل من الممكن قياس العديد من الكميات المرتبطة بالمجالات المغناطيسية الكبيرة حتى في العشرينات ، ومع تقنية التسجيل الحديثة يمكن للمرء عمومًا أن يطلق على هذا المجال شبه شبه تقريبي.


كابيتسا وجهازه لخلق المجالات المغناطيسية النبضية.

تحسين هذا النهج ، في الستينيات ، تحول المطورون من مصادر الطاقة الكهروميكانيكية الدوارة إلى المكثفات ومولدات نبض الجهد ، مما يجعل من الممكن إنشاء كثافة تيار عديدة من الكيلو أمبيرات لكل مم ^ 2 في ملف نحاسي.

بالاقتران مع تعزيز الطاقة على شكل مصفوفة فولاذية والتبريد بالنيتروجين السائل (لتقليل المقاومة ، مما يقلل الجهد المطلوب ، مما يسهل العزل في مثل هذا المغناطيس) في عام 2012 ، وصلت مغناطيسات النحاس النابضة إلى 101.2 T خلال 1 ميلي ثانية - هذه هي القيمة اليوم هو رقم قياسي (وهو ينتمي إلى تعاون مختبر الأسلحة النووية الأمريكية LANL و Florida MagLab).


فيديو حول تحقيق قيمة حقل قياسية 101.2 T. ومع ذلك ، هناك القليل مما يمكن رؤيته ، وبالفعل يبدو أن تصميم المغناطيس مصنف ، لا تُعرف إلا القيم العامة

يتم تحقيق هذه القيمة أيضًا بمساعدة العديد من الملفات المتداخلة ، والتي يعطي الجزء الخارجي منها نبضة طويلة (حوالي ثانيتين) بسعة تصل إلى 45 T ، وتلك الداخلية تعطي نبضة قصيرة تبلغ 65 T. تسمح هذه الدائرة للجهد في الموصل أن يتحمل قوة الخضوع للمواد.

ومن المثير للاهتمام أن قوة هذا المغناطيس تصل إلى عدة جيجاوات.


المولد ، الذي يقصر إلى اللفات الخارجية للمغناطيس للحصول على حقول نبضية قياسية.

لسوء الحظ ، لا توجد طرق لزيادة قيمة الحقل بشكل ملحوظ في تثبيت قابل لإعادة الاستخدام. ومع ذلك ، إذا لم يكن تدمير التثبيت مخيفًا بالنسبة لنا ، فإن 101 T بعيدًا عن الحد.

أبسط خيار هنا هو قطعة من النحاس ، ملفوفة في ملف ، حيث يتم توصيل المكثفات عالية الجهد. مثل هذا المخطط يجعل من الممكن الحصول على 300 و 400 تسلا ، على الرغم من أنه لفترة قصيرة جدًا (بترتيب الميكروثانية) في كمية عدة ملليمترات مكعبة ، والتي بالنسبة للمجرب الذي يدرس طوبولوجيا أسطح فيرمي في المواد الصلبة ، على سبيل المثال ، هي قيود معقدة إلى حد ما.


مجال الدفع على مغناطيس لمرة واحدة.

تم العثور على طريقة أنيقة إلى حد ما للخروج من هذه القيود في الخمسينات من خلال اختراع مولدات مغناطيسية متفجرة. هنا ، يتم ضغط حقل مغناطيسي بذرة 10-20 T إلى 2800 (!) T. يتم ذلك باستخدام بطانة معدنية أسطوانية ، والتي بمساعدة موجة انفجار أسطوانية من الشحنة المتفجرة تنهار إلى محورها. في هذه الحالة ، يزيد المجال المغناطيسي الطولي بحوالي 100-200 مرة. مقارنة بالمخطط السابق ، يمكن الحصول على نبض مجال مغناطيسي أطول قليلاً في المولد المغناطيسي المتفجر ، وحجم أكبر قليلاً للعينة ، على أي حال ، على حساب إعداد تجريبي أكثر تعقيدًا.



مولد مغنطيسي متفجر ومخطط دائرته.

منذ خمسينيات القرن الماضي ، باستخدام HMG ، تم قياس الخصائص المختلفة للمواد في المجال المغناطيسي المتطرف - الموصلية ، دوران الاستقطاب (تأثير فاراداي) ، ضغط المجال المغناطيسي لنواة ذرية ، إلخ. نتيجة أخرى مثيرة للاهتمام هي إمكانية تسريع الأجسام المعدنية بمثل هذه المجالات المغناطيسية بسرعات تصل إلى حوالي 100 كم / ثانية.

إن حدود المجال للمولدات المغناطيسية المتفجرة ، بدورها ، أساسية مرة أخرى تمامًا وترتبط بضغط المجال المغناطيسي ، الذي يصل إلى عشرات الميجابارات ويوقف البطانة المعدنية. 3000 تسلا هنا على ما يبدو هو حد مقارب.

في المقابل ، يتم تحقيق قيم ضغط أعلى (غيغابايت) في أجهزة انفجار الليزر ، ومن الناحية النظرية البحتة ، يمكن لهذه الأجهزة إنشاء حقول مغناطيسية لعشرات الآلاف وحتى 100 ألف تسلا ، على الرغم من ذلك داخل نانو ثانية وفي أحجام ميكرون. نبض الليزر المركز نفسه من ليزر بيتوات يحتوي على مجال مغناطيسي بديل بسعة أكبر - مليون تسلا وأعلى. بالطبع ، الظروف التي ينشأ فيها مثل هذا المجال (بلازما كثيفة مع درجة حرارة تصل إلى مئات من eV - عشرات keV) بعيدة عن اهتمامات العلوم التطبيقية ، ولكنها مثيرة للاهتمام للغاية بالنسبة للعلم الأساسي.


تاريخ سجلات المجال المغناطيسي لأنواع مختلفة من المنشآت (قابلة لإعادة الاستخدام :))

في ختام مراجعة السجلات المغناطيسية ، من الجدير بالذكر أن المغناطيسات - النجوم النيوترونية الصغيرة ذات المجالات المغناطيسية العالية. مرتفع هنا - يصل إلى 100 مليار تسلا. المجال المغناطيسي لهذا الترتيب ، على سبيل المثال ، لديه كثافة طاقة 10 ^ 25 J لكل متر مكعب ، أي ما يعادل mc ^ 2 لمادة أكثر كثافة بـ 10000 مرة من الرصاص. ( , ) , .