Magnetische Aufzeichnungen

Heute werden wir über Schallplattenmagnete sprechen und ein wenig darüber, warum sie benötigt werden.


Magnete dieser Bauart (resistive Bittermagnete) bleiben Arbeitspferde von Labors mit starken Magnetfeldern.

Der Hauptkonsument der stärksten Magnete im 20. Jahrhundert war die Wissenschaft. Thermonukleare Anlagen, Beschleuniger, Kernspinresonanzforschung, Neutronenphysik, Abkühlen auf Temperaturen unter 1 Kelvin und vieles mehr erfordern die höchstmögliche magnetische Intensität / Induktion (unter Berücksichtigung der "Stärke" des Feldes können diese Werte synonym betrachtet werden).



Ein weiterer Rekordmagnet, über den wir heute nicht sprechen werden, ist der Doppeldipol des LHC-Beschleunigers - von 1232 davon ist sein Hauptring gewählt. Ein Feld von ~ 9 T wird durch ein supraleitendes Kabel aus NbTi erzeugt, das auf 1,8 K abgekühlt ist

Bevor Sie zu bestimmten Konstruktionen übergehen, sollten Sie bedenken, dass die Energie eines Magnetfelds, die Stärke seiner Wirkung auf elektrische Ladungen und Diamagnete, von der Induktion B als Quadrat abhängt. Das heißt, Ein Feld von 10 Tesla trägt 100 mehr Energie als ein Feld von 1 Tesla. Ein wichtiges Merkmal ist das Druckfeld an den Stromrohren, das 4 B ^ 2 Atmosphären beträgt. Das heißt, Für einen Magnetdesigner entspricht ein Feld von 100 T dem Versuch, einen Ballon für 40.000 Atmosphären zu erstellen - eine äußerst schwierige Aufgabe. Dies zeigt auch, dass leistungsstarke Magnete mit einem großen Arbeitsvolumen ( wie ITER ) noch komplexer sind als nur leistungsstarke Magnete.


Ein weiterer ungewöhnlicher Rekord sind die supraleitenden Magnete des deutschen Wendelstein 7-X-Stellarators mit komplexer Geometrie.

Wir werden also zunächst einige Koordinaten definieren. Permanentmagnete, die von der Industrie hergestellt werden, zeichnen sich durch Feldwerte von 0,01 bis 0,5 T aus, und Neodym-Magnete von 0,5 T werden bereits als „stark“ wahrgenommen. Eine Aufzeichnung, die aus Permanentmagneten ~ 1,5 T an der Oberfläche herausgedrückt werden kann.

In elektrischen Maschinen (Motoren, Generatoren, Transformatoren) ist das Feld innerhalb der Eisenmagnetkreise durch die Eisensättigung begrenzt, Felder von etwa 1,8 bis 2,2 T. Im Luftspalt eines typischen Asynchronmotors sehen Sie höchstwahrscheinlich ein Feld von 0,5 bis 0,8 T, für Motoren mit Rekordleistung und Masseeigenschaften BLDC (4-5 kW / kg) - 1 ... 1,2 T.


Eine ziemlich originelle Anwendung der Leistung von Neodym-Magneten ist ein 19-kW-Elektromotor (der rote Zylinder im Bild), von dem 2 das Oxidationsmittel und die Kraftstoffpumpen des neuen Rocketford Rocket-Laborraketenmotors drehen.

Ab 1,5 T treten bei herkömmlichen Kupferelektromagneten Schwierigkeiten auf, vor allem bei der Wärmeableitung. Die Notwendigkeit, Kupfer mit Wasserkühlrohren zu mischen, sowie die wachsende Spannung zwischen den Windungen lassen die Abmessungen des Magneten viel schneller anschwellen, als das Feld wächst. Die Windungen, die weiter vom Arbeitsvolumen entfernt sind, leisten einen relativ geringen Beitrag zum Feld, was bedeutet, dass der Strom hauptsächlich zum Erhitzen des Magneten und nicht zum Erzeugen des Feldes verwendet wird.

Kupfer

Seit den 1930er Jahren und fast bis jetzt wurden jedoch rekordverdächtige stationäre Felder in praktisch gewöhnlichen wassergekühlten Kupfermagneten erzielt. Dies sind die sogenannten Bitter-Magnete, bei denen es sich um eine spiralförmig verdrehte Kupferplatte handelt, die ein gerissenes System von Längskühlkanälen aufweist. Diese Magnete zeichnen sich durch ungeheure Stromdichten (bis zu 700 A / mm²), elektrische Leistungen von 1,10 und sogar 30 Megawatt und einen Kühlwasserverbrauch von mehreren zehn und hundert Litern pro Sekunde aus. Der erste 10-T-Magnet wurde 1936 auf den Markt gebracht und hielt für die nächsten 30 Jahre einen Rekord für ein stationäres Feld.

60er Jahre amerikanische bittere Magnete bei 25 Tesla.

Dieses Design der Magnete wurde dann wiederholt optimiert, und heute wurde der Feldrekord in solchen Magneten im chinesischen Labor von CHMFL auf 38,5 T gebracht. Die Magnetleistung betrug 28,5 MW bei einem Kühlwasserdurchfluss von 500 Litern pro Sekunde (übrigens müssen Sie die Magnetleistung der Pumpen, die dieses Wasser durch den Magneten pumpen, ungefähr gleich hoch machen). Der Strom beträgt ungefähr 36 Tausend Ampere. In diesem Fall wird ein Aufzeichnungsfeld in einem Volumen mit einem Durchmesser von nur 32 mm und einer Länge von etwa 70 mm erreicht.




Der chinesische Rekord-Widerstandsmagnet - ein Lauf der Magnetspirale (aus CuAg-Legierung), ein Abschnitt und ein Satz Koaxialspulen.

Widerstandsmagnete haben sich heute den Grenzen der Materialfähigkeiten genähert, und das maximal verfügbare Feld in ihnen wächst hauptsächlich stark - durch Erhöhen der Leistung der Leistungs- und Kühlsysteme und Erhöhen der Anzahl der Spulen. Solche Magnete werden heutzutage hauptsächlich verwendet, um sehr unterschiedliche physikalische Phänomene in kleinen Proben zu untersuchen, oft bei niedrigen Temperaturen. Daher arbeiten solche Magnete in Zentren des kollektiven Gebrauchs, wenn Physiker ihre Proben und Geräte mitbringen, sie auf einem Magneten installieren und die benötigten Mengen messen. Für kleine Proben ist es sehr praktisch, Magnete mit einem kleinen Abstand von beispielsweise 20 bis 30 mm zu verwenden.


Die Oberseite eines 30T Bittermagneten ohne Abdeckung. Hier sehen Sie die Öffnung der Forschungskammer und der Schlitze für die Kühlwasserversorgung.

Es gibt jedoch heute eine andere Anwendung großer Magnetfelder - dies ist die NMR-Bildgebung , d.h. Kartierung der Gewebedichte aufgrund der Wechselwirkung von Wasserstoff mit Radiowellen in einem starken Magnetfeld. Je höher das Feld, desto größer die räumliche Auflösung des Systems. Solche Systeme erfordern ein ziemlich großes Arbeitsvolumen des Magneten sowie eine hohe Feldhomogenität. Die Forschung auf dem Gebiet der Supraleitung erfordert wiederum Kryostaten, die schwer in einen Durchmesser von 32 mm zu passen sind, und das Gebiet für einige Supraleiter benötigt mehr.


Ein wenig voraus - ein supraleitender NMR-Tomograph mit einem Ultrahochfeld (21T), einem Abstand von 110 mm und einem Beispiel für das resultierende Bild mit einer Auflösung von 26 Mikrometern

Daher ist seit den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts die Richtung von Hybridmagneten erschienen, deren Idee darin besteht, den Bittermagneten innerhalb des supraleitenden Feldes zu platzieren, dessen Felder sich summieren werden. Auf diese Weise können Sie das Feld weiter anheben, ohne dass die ohnehin schon ungeheuren Anforderungen an den Strom- und Kühlwasserverbrauch steigen.

Hybriden

Das Einsetzen des Bittermagneten in das supraleitende Mittel bedeutet, dass letzteres ein Arbeitsspiel von 400 bis 800 mm haben muss, d.h. deutlich mehr als die Aufzeichnungen, die wir zuvor gesehen haben. Magnete mit großem Arbeitsvolumen, aber einem kleineren Feld kamen von Tokamak-Entwicklern in das Labor für starke Magnetfelder, wo Ende der 70er Jahre supraleitende Magnete auf der Basis kalter Supraleiter - Zinn und Titanniobat - hergestellt wurden. Mitte der 80er Jahre wurde im französischen LNCMI-Labor für starke Magnetfelder mit einem Gesamtfeld von 31T ein Hybridmagnet aus 11T supraleitendem und 22T Bitter mit einem Gesamtfeld von 31T hergestellt. Im Jahr 2000 startete das amerikanische National MagLab eine Hybridinstallation mit einem Feld von 45T, was immer noch der Rekord unter allen Magneten ist permanentes Feld.


Gehäuse des gesamten Magneten (links) und Kryostaten (rechts)


Schnitt eines Hybridmagneten an einem Kryostaten. Das für diese Installation vorgesehene Design des externen supraleitenden Magneten wurde dann übrigens in drei weiteren Schallplattenmagneten verwendet.

Der 45-Tesla-Hybrid verwendet drei externe supraleitende Magnete und vier interne Widerstandstypen von Bitter Florida. Der Widerstandsteil verbraucht 29 Megawatt bei einem Strom von 74 kA und erzeugt ein Feld von 31 T. Der supraleitende Teil des Magneten erzeugt ein Feld von 14 T und besteht aus Außenwicklungen von NbTi und Innenwicklungen von Nb3Sn, arbeitet bei einem Strom von 8 kA bei einer Temperatur von 4,2 K. Abstand Kryostat eines supraleitenden Magneten - 500 mm.


45T supraleitender externer Hybridmagnet


Und der innere bittere Magnet. So verwandeln sich 2,5 Meter des Körpers in eine 32-mm-Arbeitskammer.

Zum Vergleich erinnere ich mich, dass der ITER-Ringmagnet einen Drahtstrom von 68 kA, ein Feld von 12,8 T mit einem Abstand von 9000 × 7000 mm, d. H. Man kann sich vorstellen, wie weit ITER die Technologie der supraleitenden Niedertemperaturmagnete weiterentwickelt hat.


Übrigens verwenden sie in Labormagneten einen Leiter mit einem viel geringeren Strom, der mehr Windungen wickelt - dies vereinfacht das Stromversorgungssystem und den Leiter selbst. Die Kehrseite davon sind die größeren elektrischen Spannungen im System, wenn der Supraleiter plötzlich in einen normalen Zustand übergeht.

Zusätzlich zu ITER haben diese Technologien mit dem Aufkommen industrieller Hochtemperatursupraleiter Fortschritte gemacht. Wenn Niedertemperatur-SPs im Prinzip die Erzeugung von Feldern über 22 T nicht zulassen, d.h. Da sie nur Teil des Aufzeichnungsmagneten sein können, erweitert sich diese Grenze für HTSC auf mindestens 45 T.


Die Abhängigkeit der kritischen Stromdichte vom Feld für verschiedene Supraleiter. Haben Sie sich jemals gefragt, mit welcher Ausrüstung diese Diagramme erstellt werden und warum sie bei 45T ruhen?

Heute ist eine neue Richtung bei der Herstellung von Rekordmagneten vollständig supraleitend, und jetzt entwickeln alle führenden Labors der Welt (China, Niederlande, Frankreich, USA) Magnete mit mehr als 30 T SP. Auch Maglab ist hier allen voraus, wo es mit 32 Jahren begann, einen vollständig supraleitenden Magneten zusammenzubauen T. Hier werden 15 T durch externe Magnete von NbTi und Nb3Sn und weitere 17 - durch einen zweischichtigen HTSC-Magneten von YBCO-Bändern erzeugt. Hier werden "Hochtemperatur" -Supraleiter verwendet, die bei flüssiger Heliumtemperatur viel höhere kritische Felder aufweisen als "Niedertemperatur" -Supraleiter.


32T voll supraleitendes Magnetprojekt

Die Technologien dieses Magneten erforderten eine fast 10-jährige Entwicklung. Die Hauptprobleme lagen im Bereich sehr hoher ponderomotorischer Kräfte von der Seite eines starken Magnetfelds bis zu den Windungen mit Strom. Die mechanische Beanspruchung in YBCO-Spulen erreicht 700 MPa - hier hilft es übrigens gut, dass das HTSC-Band im Wesentlichen hauptsächlich aus einer Nickellegierung mit hohen Festigkeitseigenschaften besteht - Kupfer hält solchen Beanspruchungen nicht stand.


Forschung und Entwicklung eines Hochfeld-HTSC-Magneten.

Die zweite Klasse von Problemen ist mit dem Notfallverlust des supraleitenden Zustands und der Ausgabe von Strom von den Spulen verbunden. Insbesondere um ein Verbrennen aufgrund der langsamen Ausbreitung der normalen Zone zu vermeiden, sind Heizungen in die Spulen eingebaut, die beim Erkennen eines Übergangs die gesamte Spule erwärmen, so dass die Feldenergie gleichmäßiger freigesetzt wird.


Vor kurzem wurde die innere Arbeitsspule buchstäblich aus HTSC-Band hergestellt, und bald können Sie mit dem Start und der Montage des Magneten rechnen.

Dieser Magnet hat ein „kaltes“ Arbeitsvolumen und eignet sich gut zur Untersuchung der kondensierten Zustände von Materie und Quanteneffekten in Festkörpern. Dies ist eine völlig andere Klasse von Geräten in Bezug auf die Betriebskosten, insbesondere ein Kryostat, ein Kryostatensystem und ein externer SP-Magnet von NTSC Serienprodukte von Oxford Instruments.



Im Allgemeinen ist Oxford Instruments der größte Anbieter von supraleitenden Magneten, hauptsächlich für alle wissenschaftlichen und Laboranwendungen im Bereich 3-15T. Im ITER-Projekt liefert dieses Unternehmen beispielsweise 6T-Magnete für Gyrotrons

Bevor ich zu den nächsten Rekordhaltern übergehe, möchte ich allgemein auf einige Anwendungen solcher Magnete eingehen, die über die bloße Bereitstellung eines Ständers mit einem hohen Magnetfeld hinausgehen.

Einer der Hauptverbraucher von seriellen Hochfeldmagneten sind NMR-Spektrometer, ein Arbeitsinstrument für Chemiker. Insbesondere Bruker stellt Spektrometer in Massenproduktion mit einem Feld von bis zu 23,5 T her (solche Geräte haben übrigens ziemlich große Probleme, ein solches Feld vor umgebenden Personen und Objekten abzuschirmen).


Der historische Anstieg der Frequenz von NMR-Spektrometern, der eine Verbesserung der Qualität von NMR-Spektren ermöglicht.

Der zweite serielle Verbraucher sind hochauflösende NMR-Tomographen, die in biologischen und neurobiologischen Studien verwendet werden. Hier erreichen die Felder 21T. Schließlich sind Zentren mit Neutronenquellen ein etwas weniger angewandter Verbraucher. Eine der Methoden zur Untersuchung magnetischer Quantenphänomene ist die Untersuchung der Neutronenstreuung auf Materie in einem starken Magnetfeld sowie von Kühlschränken für Submikroquelvin-Temperaturen, die Felder von 8 bis 20 T erfordern.


Video vom Zusammenbau eines 26T-Magneten mit großem Abstand zur Untersuchung der Streuung polarisierter Neutronen auf Materie im Helmholtz-Zentrum Berlin

Impulsmagnete

Die wichtigsten technischen Probleme bei der Erzeugung von Hochfeldmagneten - Kühlkörper und Stärke - werden erheblich erleichtert, wenn wir von einem konstanten Magnetfeld zu einem gepulsten wechseln. Impulssysteme werden wiederum in wiederverwendbare und wegwerfbare Systeme unterteilt :)

Interessanterweise war Peter Kapitsa der Pionier auf dem Gebiet der gepulsten Magnete, der in den 20er Jahren im Cavendish-Labor in England an ähnlichen Installationen beteiligt war. Er schloss den Ausgang eines großen rotierenden Generators mit dem Magneten und erhielt mehrere Millisekunden lang bis zu 50 T. Ein solcher Ansatz ermöglichte es, bereits in den 20er Jahren viele Größen zu messen, die mit großen Magnetfeldern verbunden sind, und mit moderner Aufzeichnungstechnologie kann man ein solches Feld im Allgemeinen als fast quasistationär bezeichnen.


Kapitsa und seine Maschine zur Erzeugung gepulster Magnetfelder.

Um diesen Ansatz zu verbessern, wechselten die Entwickler in den 60er Jahren von rotierenden elektromechanischen Energiequellen zu Kondensatoren und Spannungsimpulsgeneratoren, die es ermöglichen, in einer Kupferspule eine Stromdichte von vielen Kiloampere pro mm² zu erzeugen.

In Kombination mit einer Leistungsverstärkung in Form einer Stahlmatrix und einer Kühlung mit flüssigem Stickstoff (um den Widerstand zu verringern, wodurch die erforderliche Spannung verringert wird, was die Isolierung in einem solchen Magneten erleichtert) erreichten gepulste Kupfermagnete 2012 innerhalb von 1 Millisekunde 101,2 T - dies ist heute der Wert ist ein Rekord (und gehört zur Zusammenarbeit des amerikanischen Atomwaffenlabors LANL und des Florida MagLab).


Ein Video über das Erreichen eines Rekordfeldwerts von 101,2 T. Es ist jedoch wenig zu sehen, und tatsächlich scheint das Magnetdesign klassifiziert zu sein, es sind nur allgemeine Werte bekannt

Dieser Wert wird auch mit Hilfe mehrerer verschachtelter Spulen erreicht, wobei die externen einen langen Impuls (ca. 2 Sekunden) mit einer Amplitude von bis zu 45 T und die internen einen kurzen Impuls von 65 T liefern. Diese Schaltung ermöglicht es der Spannung im Leiter, der Streckgrenze von Materialien standzuhalten.

Interessanterweise erreicht die Leistung eines solchen Magneten mehrere Gigawatt.


Der Generator, der mit den äußeren Wicklungen des Magneten kurzgeschlossen ist, um gepulste Aufzeichnungsfelder zu erhalten.

Leider gibt es keine Möglichkeit, den Feldwert in einer wiederverwendbaren Installation spürbar zu erhöhen. Wenn die Zerstörung der Anlage für uns jedoch nicht beängstigend ist, sind 101 T weit vom Grenzwert entfernt.

Die einfachste Option ist hier ein Stück Kupfer, das zu einer Spule aufgerollt ist, an die Hochspannungskondensatoren angeschlossen sind. Ein solches Schema ermöglicht es, sowohl 300 als auch 400 Tesla zu erhalten, obwohl für eine sehr kurze Zeit (in der Größenordnung von Mikrosekunden) mehrere Kubikmillimeter, was für einen Experimentator, der beispielsweise die Topologie von Fermi-Oberflächen in Festkörpern untersucht, eine ziemlich komplizierte Einschränkung darstellt.


Impulsfeld an einem einmaligen Magneten.

Ein ziemlich eleganter Ausweg aus diesen Einschränkungen wurde bereits in den 50er Jahren durch die Erfindung explosiver Magnetgeneratoren gefunden. Hier wird ein 10-20 T-Keimmagnetfeld auf 2800 (!) T komprimiert. Dies geschieht mit einer zylindrischen Metallauskleidung, die mit Hilfe einer zylindrischen Druckwelle aus der Sprengladung auf ihre Achse kollabiert. In diesem Fall steigt das longitudinale Magnetfeld um das 100- bis 200-fache an. Verglichen mit dem vorherigen Schema kann ein etwas längerer Magnetfeldimpuls im explosiven Magnetgenerator und ein etwas größeres Volumen für die Probe auf Kosten eines viel komplizierteren Versuchsaufbaus erhalten werden.



Explosiver Magnetgenerator und sein Schaltplan.

Bereits in den 1950er Jahren wurden mit dem HMG verschiedene Eigenschaften von Materialien in einem extremen Magnetfeld gemessen - Leitfähigkeit, Polarisationsrotation (Faraday-Effekt), Kompression des Magnetfeldes eines Atomkerns usw. Ein weiteres interessantes Ergebnis ist die Möglichkeit, Metallobjekte mit solchen Magnetfeldern auf Geschwindigkeiten von etwa 100 km / s zu beschleunigen.

Die Feldbeschränkungen explosiver Magnetgeneratoren sind wiederum von grundlegender Bedeutung und hängen mit dem Druck des Magnetfelds zusammen, das mehrere zehn Megabar erreicht und die Metallauskleidung stoppt. 3000 Tesla ist hier anscheinend eine asymptotische Grenze.

In Laserimplosionsgeräten werden wiederum höhere Druckwerte (Gigabyte) erreicht, und rein theoretisch können solche Geräte Magnetfelder von Zehntausenden und sogar 100.000 Tesla erzeugen, wenn auch innerhalb von Nanosekunden und in Mikrometervolumina. Der fokussierte Laserpuls selbst eines Petawattlasers hat ein magnetisches Wechselfeld mit einer Amplitude, die noch größer ist - eine Million Tesla und höher. Natürlich sind die Bedingungen, unter denen ein solches Feld entsteht (ein dichtes Plasma mit einer Temperatur von Hunderten von eV - zehn keV), weit von den Interessen der angewandten Wissenschaft entfernt, aber für die Grundlagenforschung sehr interessant.


Verlauf der Magnetfeldaufzeichnungen für verschiedene Arten von Installationen (wiederverwendbar :))

Abschließend sei auf Magnetare hingewiesen - junge Neutronensterne mit hohen Magnetfeldern. Hoch hier - es sind bis zu 100 Milliarden Tesla. Ein Magnetfeld dieser Größenordnung hat beispielsweise eine Energiedichte von 10 ^ 25 J pro Kubikmeter, was mc ^ 2 für eine Substanz entspricht, die 10.000-mal dichter als Blei ist. ( , ) , .