Registros magnéticos

Hoy hablaremos sobre imanes de registro y un poco sobre por qué son necesarios.


Los imanes de este diseño (imanes amargos resistivos) siguen siendo caballos de batalla de laboratorios de fuertes campos magnéticos.

El principal consumidor de los imanes más fuertes a lo largo del siglo XX fue la ciencia. Las instalaciones termonucleares, los aceleradores, la investigación de resonancia magnética nuclear, la física de neutrones, el enfriamiento a temperaturas inferiores a 1 kelvin y mucho más requieren la mayor intensidad / inducción magnética posible (al considerar la "fuerza" del campo, estos valores pueden considerarse sinónimos).



Otro imán récord, del que no hablaremos hoy, es el doble dipolo del acelerador LHC: de 1232 de estos, se marca su anillo principal. Un campo de ~ 9 T es creado por un cable superconductor de NbTi enfriado a 1.8 K

Antes de proceder a diseños específicos, vale la pena recordar que la energía de un campo magnético, la fuerza de su efecto sobre las cargas eléctricas y los diamagnetos, depende de la inducción B como un cuadrado. Es decir Un campo de 10 Tesla lleva 100 más energía que un campo de 1 Tesla. Una característica importante es el campo de presión en los tubos de corriente, que es de 4 B ^ 2 atmósferas. Es decir Para un diseñador de imanes, un campo de 100 T es equivalente a intentar crear un globo para 40,000 atmósferas, una tarea extremadamente difícil. Esto también muestra que los imanes potentes con un gran volumen de trabajo ( como ITER ) son aún más complejos que solo imanes potentes.


Otro registro inusual son los imanes superconductores del estelarator alemán Wendelstein 7-X con geometría compleja.

Entonces, comenzaremos definiendo algunas coordenadas. Los imanes permanentes, que son fabricados por la industria, se caracterizan por valores de campo de 0.01 a 0.5 T, y los imanes de neodimio de 0.5 T ya se perciben como "fuertes". Un registro que puede extraerse de imanes permanentes ~ 1.5 T en la superficie.

En máquinas eléctricas (motores, generadores, transformadores), el campo dentro de los circuitos magnéticos de hierro está limitado por la saturación de hierro, campos de aproximadamente 1.8-2.2 T. En el entrehierro de un motor asíncrono típico, lo más probable es que vea un campo de 0.5-0.8 T, para motores con potencia récord y características de masa BLDC (4-5 kW / kg) - 1 ... 1.2 T.


Una aplicación bastante original de la potencia de los imanes de neodimio es un motor eléctrico de 19 kW (el cilindro rojo en la imagen), 2 de estos hacen girar el oxidante y las bombas de combustible en el nuevo motor de cohete Rocketford Rocket lab.

En algún lugar a partir de 1,5 T, los electroimanes de cobre convencionales comienzan a experimentar dificultades, principalmente con la disipación de calor. La necesidad de mezclar cobre con tubos de enfriamiento de agua, así como el creciente voltaje entre vueltas, aumenta las dimensiones del imán mucho más rápido de lo que crece el campo. Los giros que se ubican más lejos del volumen de trabajo hacen una contribución relativamente pequeña al campo, lo que significa que la corriente se gasta principalmente en calentar el imán y no en crear el campo.

Cobre

Sin embargo, desde la década de 1930 y casi hasta ahora, se han logrado campos estacionarios récord en imanes de cobre refrigerados por agua prácticamente ordinarios. Estos son los llamados imanes amargos, que son una placa de cobre retorcida en espiral y que tiene un astuto sistema de canales de enfriamiento longitudinales. Estos imanes se caracterizan por monstruosas densidades de corriente (hasta 700 A / mm ^ 2), potencias eléctricas de 1.10 e incluso 30 megavatios, y un consumo de agua de enfriamiento de decenas y cientos de litros por segundo. El primer imán de 10 T se lanzó en 1936 y durante los siguientes 30 años tuvo un récord para un campo estacionario.

60 imanes amargos estadounidenses en 25 Tesla.

Este diseño de los imanes se optimizó en varias ocasiones, y hoy el registro de campo en tales imanes se ha elevado a 38,5 T en el laboratorio chino de CHMFL. La potencia del imán era de 28.5 MW con un caudal de agua de enfriamiento de 500 litros por segundo (por cierto, parece que debe agregar aproximadamente lo mismo a la potencia del imán a las bombas que bombean esta agua a través del imán). La corriente es de unos 36 mil amperios. En este caso, se logra un campo de registro en un volumen con un diámetro de solo 32 mm y una longitud de aproximadamente 70 mm.




El imán resistivo récord chino: una carrera de la espiral solenoide (hecha de aleación de CuAg), una sección y un conjunto de bobinas coaxiales.

Los imanes resistivos de hoy se han acercado a los límites de las capacidades de los materiales, y el campo máximo disponible en ellos está creciendo principalmente de manera extensiva, al aumentar la potencia de los sistemas de potencia y enfriamiento, aumentando el número de bobinas. Estos imanes hoy en día se utilizan principalmente para estudiar fenómenos físicos muy diversos en muestras pequeñas, a menudo a bajas temperaturas. Por lo tanto, tales imanes funcionan en centros de uso colectivo, cuando los físicos traen sus muestras y equipos, los instalan en un imán y miden las cantidades que necesitan. Para muestras pequeñas, es bastante conveniente usar imanes con un espacio libre pequeño, como 20-30 mm.


La parte superior de un imán amargo 30T sin tapa. Aquí puede ver la apertura de la cámara de investigación y las ranuras para suministrar agua de refrigeración.

Sin embargo, hoy existe otra aplicación de grandes campos magnéticos: se trata de imágenes de RMN , es decir mapeo de la densidad del tejido debido a la interacción del hidrógeno con las ondas de radio en un campo magnético fuerte. Cuanto más alto sea el campo, mayor será la resolución espacial del sistema. Tales sistemas requieren un volumen de trabajo del imán bastante grande, así como una gran homogeneidad de campo. La investigación en el campo de la superconductividad a su vez requiere criostatos, que son difíciles de ajustar en un diámetro de 32 mm, y el campo para algunos superconductores necesita más.


Corriendo un poco más adelante: un tomógrafo de RMN superconductor con un campo ultraalto (21T), un espacio libre de 110 mm y un ejemplo de la imagen resultante con una resolución de 26 micras

Por lo tanto, desde los años 80 del siglo XX, ha aparecido la dirección de los imanes híbridos, cuya idea es colocar el imán amargo dentro del campo superconductor, cuyos campos se sumarán. Esto le permite elevar aún más el campo sin el aumento de los requisitos ya monstruosos para el consumo de energía y agua de refrigeración.

Híbridos

La inserción del imán amargo dentro del superconductor significa que este último debe tener un espacio libre de trabajo de 400-800 mm, es decir significativamente más que los registros que vimos antes. Los imanes con grandes volúmenes de trabajo pero un campo más pequeño llegaron al laboratorio de fuertes campos magnéticos de los desarrolladores de tokamak, donde a finales de los 70 se crearon imanes superconductores basados ​​en superconductores fríos: niobato de estaño y titanio. A mediados de los años 80, se creó un imán híbrido de 11T superconductores y amargos de 22T con un campo total de 31T en el laboratorio francés LNCMI de campos magnéticos fuertes con un campo total de 31T, y en 2000, el American National MagLab lanzó una instalación híbrida con un campo de 45T, que sigue siendo el récord entre todos los imanes con campo permanente


Caja de todo el imán (izquierda) y criostato (derecha)


Sección de un imán híbrido en un criostato. Por cierto, el diseño del imán superconductor externo diseñado para esta instalación se usó en tres imanes de registro más.

El híbrido 45 Tesla utiliza tres imanes superconductores externos y 4 tipos resistivos internos de Bitter Florida. La parte resistiva consume 29 megavatios a una corriente de 74 kA y crea un campo de 31 T. La parte superconductora del imán crea un campo de 14 T y consta de devanados externos de NbTi y devanados internos de Nb3Sn, opera a una corriente de 8 kA a una temperatura de 4.2 K. criostato de un imán superconductor - 500 mm.


Imán híbrido externo superconductor 45T


Y el imán amargo interior. Así, 2,5 metros del cuerpo se convierten en una cámara de trabajo de 32 mm.

A modo de comparación, recuerdo que el imán toroidal ITER tiene una corriente de cable de 68 kA, un campo de 12.8 T con un espacio libre de 9000x7000 mm, es decir Uno puede imaginar hasta qué punto ITER ha avanzado la tecnología de los imanes superconductores de baja temperatura.


Por cierto, en los imanes de laboratorio usan un conductor con una corriente mucho más baja, que enrolla más vueltas, esto simplifica el sistema de alimentación y el propio conductor. La otra cara de esto son los voltajes eléctricos más grandes en el sistema cuando el superconductor entra repentinamente en un estado normal.

Además de ITER, estas tecnologías han avanzado con la llegada de los superconductores industriales de alta temperatura. Si los SP de baja temperatura en principio no permiten la creación de campos por encima de 22 T, es decir, Como solo pueden ser parte del imán de registro, para HTSC este límite se expande al menos a 45 T.


La dependencia de la densidad de corriente crítica en el campo para diferentes superconductores. Por cierto, ¿alguna vez te has preguntado qué tipo de equipo se usa para construir estos diagramas y por qué descansan a 45T?

Hoy, una nueva dirección en la creación de imanes récord es completamente superconductora, y ahora todos los laboratorios líderes en el mundo (China, Países Bajos, Francia, Estados Unidos) están diseñando imanes 30+ T SP. Aquí, también, FlorLida MagLab está por delante de todos, donde comenzó el ensamblaje de un imán totalmente superconductor a los 32 T. Aquí 15 T serán creados por imanes externos de NbTi y Nb3Sn, y otros 17 - por un imán HTSC de dos capas de cintas YBCO. Los superconductores de "alta temperatura" se usan aquí porque tienen campos críticos mucho más altos a temperatura de helio líquido que los de "baja temperatura".


Proyecto de imán totalmente superconductor 32T

Las tecnologías de este imán requirieron casi 10 años de desarrollo, los principales problemas radicaban en el campo de fuerzas ponderomotrices muy altas desde el lado de un poderoso campo magnético hasta los giros con corriente. El esfuerzo mecánico en las bobinas YBCO alcanza los 700 MPa; aquí, por cierto, ayuda bien que la cinta HTSC consista esencialmente en una aleación de níquel con características de alta resistencia: el cobre no resiste tales esfuerzos.


I + D de un imán HTSC de alto campo.

La segunda clase de problemas está asociada con la pérdida de emergencia del estado superconductor y la salida de corriente de las bobinas. En particular, para evitar quemaduras debido a la lenta propagación de la zona normal, se incorporan calentadores en las bobinas que, cuando se detecta una transición, calientan toda la bobina para que la energía del campo se libere de manera más uniforme.


Literalmente recientemente, la bobina de trabajo interna estaba hecha de cinta HTSC; pronto puede esperar el lanzamiento y el montaje del imán.

Este imán tendrá un volumen de trabajo "frío" y es muy adecuado para estudiar los estados condensados ​​de la materia y los efectos cuánticos en los sólidos, mientras que en términos de costos operativos es una clase de dispositivos completamente diferente, en particular, un criostato, un sistema de criostato y un imán SP externo de NTSC. Productos en serie fabricados por Oxford Instruments.



En general, Oxford Instruments es el mayor proveedor de imanes superconductores, principalmente para todas las aplicaciones científicas y de laboratorio en los campos de 3-15T. En el proyecto ITER, esta empresa, por ejemplo, suministra imanes 6T para girotrones.

En general, antes de pasar a los siguientes titulares de registros, me gustaría hablar sobre varias aplicaciones de tales imanes más allá de simplemente proporcionar un soporte con un campo magnético alto.

Uno de los principales consumidores aplicados de imanes seriales de alto campo son los espectrómetros de RMN, una herramienta de trabajo para químicos. Bruker, en particular, produce espectrómetros en masa con un campo de hasta 23.5T (por cierto, tales dispositivos tienen problemas bastante grandes con la detección de un campo de personas y objetos circundantes).


El aumento histórico en la frecuencia de los espectrómetros de RMN, que permite mejorar la calidad de los espectros de RMN.

El segundo consumidor en serie son los tomógrafos de RMN de alta resolución, que se utilizan en estudios biológicos y neurobiológicos. Aquí los campos alcanzan 21T. Finalmente, los centros con fuentes de neutrones son un consumidor un poco menos aplicado, uno de los métodos para estudiar los fenómenos cuánticos magnéticos es el estudio de la dispersión de neutrones en la materia en un campo magnético fuerte, así como refrigeradores para temperaturas submicroquelvínicas, que requieren campos de 8 a 20 T.


Video del ensamblaje de un imán 26T con un gran espacio libre para estudiar la dispersión de neutrones polarizados en la materia en Helmholtz-Zentrum Berlin

Imanes de impulso

Los principales problemas de ingeniería de la creación de imanes de alto campo (disipador de calor y fuerza) se facilitan enormemente si cambiamos de un campo magnético constante a uno pulsado. A su vez, los sistemas de pulso se dividen en reutilizables y desechables :)

Curiosamente, el pionero en el campo de los imanes pulsados ​​fue Peter Kapitsa, que se dedicó a instalaciones similares en los años 20 en el laboratorio Cavendish en Inglaterra. Cerrando la salida de un gran generador giratorio al solenoide, recibió hasta 50 T por varios milisegundos. Tal enfoque permitió medir muchas cantidades asociadas con grandes campos magnéticos incluso en los años 20, y con la tecnología de grabación moderna generalmente se puede llamar a dicho campo casi cuasiestacionario.


Kapitsa y su máquina para crear campos magnéticos pulsados.

Mejorando este enfoque, en los años 60, los desarrolladores cambiaron de fuentes de energía electromecánicas giratorias a condensadores y generadores de pulsos de voltaje, lo que hace posible crear una densidad de corriente de muchos kiloamperios por mm ^ 2 en una bobina de cobre.

En combinación con refuerzo de energía en forma de matriz de acero y enfriamiento con nitrógeno líquido (para reducir la resistencia, lo que reduce el voltaje requerido, lo que facilita el aislamiento en dicho imán) en 2012, los imanes de cobre pulsado alcanzaron 101,2 T en 1 milisegundo: este es el valor actual es un registro (y pertenece a la colaboración del laboratorio estadounidense de armas nucleares LANL y Florida MagLab).


Un video sobre el logro de un valor de campo récord de 101.2 T. Sin embargo, es poco lo que se puede ver y, de hecho, parece que el diseño del imán está clasificado, solo se conocen valores generales

Este valor también se logra con la ayuda de varias bobinas anidadas, las externas dan un pulso largo (aproximadamente 2 segundos) con una amplitud de hasta 45 T, y las internas dan un pulso corto de 65 T. Este circuito permite que el voltaje en el conductor resista el límite elástico de los materiales.

Curiosamente, el poder de tal imán alcanza varios gigavatios.


El generador, que está en cortocircuito a los devanados externos del imán para obtener campos pulsados ​​récord.

Desafortunadamente, no hay formas de aumentar notablemente el valor del campo en una instalación reutilizable. Sin embargo, si la destrucción de la instalación no nos da miedo, entonces 101 T está lejos del límite.

La opción más simple aquí es una pieza de cobre, enrollada en una bobina, en la que están conectados los condensadores de alto voltaje. Tal esquema permite obtener 300 y 400 Tesla, aunque durante un tiempo muy corto (del orden de microsegundos) en la cantidad de varios milímetros cúbicos, lo que para un experimentador que estudia la topología de las superficies de Fermi en sólidos, por ejemplo, es una limitación bastante complicada.


Impulse el campo en un imán de una sola vez.

Una forma bastante elegante de salir de estas restricciones fue encontrada en los años 50 por la invención de generadores magnéticos explosivos. Aquí, un campo magnético de semillas de 10-20 T se comprime a 2800 (!) T. Esto se hace utilizando un revestimiento cilíndrico de metal, que con la ayuda de una onda expansiva cilíndrica de la carga explosiva se derrumba a su eje. En este caso, el campo magnético longitudinal aumenta en aproximadamente 100-200 veces. En comparación con el esquema anterior, se puede obtener un pulso de campo magnético ligeramente más largo en el generador magnético explosivo, y un volumen ligeramente mayor para la muestra, a costa de una configuración experimental mucho más complicada.



Generador magnético explosivo y su diagrama de circuito.

Ya en la década de 1950, utilizando el HMG, se midieron varias características de los materiales en un campo magnético extremo: conductividad, rotación de polarización (efecto Faraday), compresión del campo magnético de un núcleo atómico, etc. Otro resultado interesante es la posibilidad de acelerar objetos metálicos con tales campos magnéticos a velocidades de aproximadamente 100 km / s.

Las limitaciones de campo de los generadores magnéticos explosivos, a su vez, son nuevamente fundamentales y están asociadas con la presión del campo magnético, que alcanza decenas de megabarras y detiene el revestimiento metálico. 3000 Tesla aquí es aparentemente un límite asintótico.

A su vez, se alcanzan valores de presión más altos (gigabytes) en dispositivos de implosión láser, y, teóricamente, tales dispositivos son capaces de crear campos magnéticos de decenas de miles e incluso 100 mil teslas, aunque dentro de nanosegundos y en volúmenes de micras. El pulso láser enfocado de un láser de petavatios tiene un campo magnético alterno con una amplitud aún mayor: un millón de Tesla y más. Por supuesto, las condiciones bajo las cuales surge dicho campo (un plasma denso con una temperatura de cientos de eV - decenas de keV) están lejos de los intereses de la ciencia aplicada, pero son muy interesantes para la ciencia fundamental.


Historial de registros de campo magnético para diferentes tipos de instalaciones (reutilizables :))

Concluyendo la revisión de los registros magnéticos, vale la pena recordar acerca de los magnetares: estrellas de neutrones jóvenes con altos campos magnéticos. Aquí arriba, es de hasta 100 mil millones de Tesla. Un campo magnético de este orden, por ejemplo, tiene una densidad de energía de 10 ^ 25 J por metro cúbico, el equivalente de mc ^ 2 para una sustancia 10,000 veces más densa que el plomo. Las observaciones de magnetares (y estrellas de neutrones ordinarias cuyos campos son miles de veces más pequeños) proporcionan una mejor comprensión del comportamiento de la materia y el espacio en tales condiciones, complementando la investigación de laboratorio con imanes de registro.