Enregistrements magnétiques

Aujourd'hui, nous allons parler des aimants d'enregistrement et expliquer pourquoi ils sont nécessaires.


Les aimants de cette conception (aimants amers résistifs) restent des bêtes de somme des laboratoires de forts champs magnétiques.

Le principal consommateur des aimants les plus puissants du XXe siècle était la science. Les installations thermonucléaires, les accélérateurs, la recherche sur la résonance magnétique nucléaire, la physique des neutrons, le refroidissement à des températures inférieures à 1 kelvin et bien plus nécessitent une intensité / induction magnétique la plus élevée possible (si l'on considère la "force" du champ, ces valeurs peuvent être considérées comme synonymes).



Un autre aimant record, dont nous ne parlerons pas aujourd'hui, est le double dipôle de l'accélérateur du LHC - sur 1232 d'entre eux, son anneau principal est composé. Un champ de ~ 9 T est créé par un câble supraconducteur de NbTi refroidi à 1,8 K

Avant de procéder à des conceptions spécifiques, il convient de rappeler que l'énergie d'un champ magnétique, la force de son effet sur les charges électriques et les diamagnets, dépendent de l'induction B en carré. C'est-à-dire un champ de 10 Tesla transporte 100 énergies de plus qu'un champ de 1 Tesla. Une caractéristique importante est le champ de pression sur les tubes actuels, qui est de 4 B ^ 2 atmosphères. C'est-à-dire pour un concepteur d'aimants, un champ de 100 T équivaut à essayer de créer un ballon pour 40000 atmosphères - une tâche extrêmement difficile. Cela montre également que les aimants puissants avec un grand volume de travail ( comme ITER ) sont encore plus complexes que les aimants puissants.


Un autre record inhabituel est celui des aimants supraconducteurs du stellarateur allemand Wendelstein 7-X à géométrie complexe.

Nous allons donc commencer par définir quelques coordonnées. Les aimants permanents, qui sont fabriqués par l'industrie, sont caractérisés par des valeurs de champ de 0,01 à 0,5 T, et les aimants en néodyme de 0,5 T sont déjà perçus comme «forts». Un record qui peut être extrait d'aimants permanents ~ 1,5 T en surface.

Dans les machines électriques (moteurs, générateurs, transformateurs), le champ à l'intérieur des circuits magnétiques en fer est limité par la saturation du fer, des champs d'environ 1,8 à 2,2 T. Dans l'entrefer d'un moteur asynchrone typique, vous verrez très probablement un champ de 0,5 à 0,8. T, pour moteurs avec des caractéristiques de puissance et de masse record BLDC (4-5 kW / kg) - 1 ... 1,2 T.


Une application assez originale de la puissance des aimants au néodyme est un moteur électrique de 19 kW (le cylindre rouge sur la photo), dont 2 font tourner l'oxydant et les pompes à carburant du nouveau moteur-fusée Rocketford Rocket lab.

Quelque part à partir de 1,5 T, les électro-aimants en cuivre conventionnels commencent à rencontrer des difficultés, principalement avec la dissipation thermique. La nécessité de mélanger le cuivre avec des tubes de refroidissement par eau, ainsi que la tension croissante entre les spires, gonflent les dimensions de l'aimant beaucoup plus rapidement que le champ ne se développe. Les spires situées plus loin du volume de travail contribuent relativement peu au champ, ce qui signifie que le courant est principalement dépensé pour chauffer l'aimant et non pour créer le champ.

Cuivre

Cependant, depuis les années 1930 et presque jusqu'à présent, des champs stationnaires record ont été atteints avec des aimants en cuivre refroidis à l'eau pratiquement ordinaires. Ce sont les aimants dits amers, qui sont une plaque de cuivre torsadée en spirale et possédant un système astucieux de canaux de refroidissement longitudinaux. Ces aimants se caractérisent par des densités de courant monstrueuses (jusqu'à 700 A / mm ^ 2), des puissances électriques de 1,10 et même 30 mégawatts, et une consommation d'eau de refroidissement de dizaines et centaines de litres par seconde. Le premier aimant de 10 T a été lancé en 1936 et, au cours des 30 prochaines années, il détenait un record pour un champ stationnaire.

Aimants amers américains des années 60 à 25 Tesla.

Cette conception des aimants a ensuite été optimisée à plusieurs reprises, et aujourd'hui, le record de champ dans ces aimants a été porté à 38,5 T dans le laboratoire chinois du CHMFL. La puissance de l'aimant était de 28,5 MW avec un débit d'eau de refroidissement de 500 litres par seconde (à propos, il semble que vous devez ajouter à peu près la même puissance à l'aimant aux pompes qui pompent cette eau à travers l'aimant). Le courant est d'environ 36 000 ampères. Dans ce cas, un champ record est atteint dans un volume de seulement 32 mm de diamètre et environ 70 mm de long.




L'aimant résistif record chinois - une série de la spirale du solénoïde (en alliage CuAg), une section et un ensemble de bobines coaxiales.

Les aimants résistifs ont aujourd'hui approché les limites des capacités des matériaux, et le champ maximal disponible en eux augmente principalement de manière considérable - en augmentant la puissance des systèmes d'alimentation et de refroidissement, en augmentant le nombre de bobines. De tels aimants sont aujourd'hui principalement utilisés pour étudier des phénomènes physiques très divers dans de petits échantillons, souvent à basse température. Par conséquent, ces aimants fonctionnent dans des centres d'utilisation collective, lorsque les physiciens apportent leurs échantillons et leur équipement, l'installent sur un aimant et mesurent les quantités dont ils ont besoin. Pour les petits échantillons, il est assez pratique d'utiliser des aimants avec un petit jeu, tels que 20-30 mm.


Le sommet d'un aimant amer 30T sans couvercle. Ici, vous pouvez voir l'ouverture de la chambre de recherche et des fentes pour l'alimentation en eau de refroidissement.

Cependant, il existe une autre application de grands champs magnétiques aujourd'hui - c'est l' imagerie RMN , c'est-à-dire cartographie de la densité tissulaire due à l'interaction de l'hydrogène avec les ondes radio dans un champ magnétique puissant. Plus le champ est élevé, plus la résolution spatiale du système est grande. De tels systèmes nécessitent un volume de travail assez important de l'aimant ainsi qu'une grande homogénéité de champ. La recherche dans le domaine de la supraconductivité nécessite à son tour des cryostats, qui sont difficiles à intégrer dans un diamètre de 32 mm, et le domaine de certains supraconducteurs en a besoin de plus.


Un peu d'avance - un tomographe RMN supraconducteur avec un champ ultra-haut (21T), un dégagement de 110 mm et un exemple de l'image résultante avec une résolution de 26 microns

Par conséquent, depuis les années 80 du 20e siècle, la direction des aimants hybrides est apparue, dont l'idée est de placer l'aimant amer à l'intérieur du champ supraconducteur, dont les champs s'additionneront. Cela vous permet d'augmenter le champ sans augmenter les exigences déjà monstrueuses en matière de consommation d'énergie et d'eau de refroidissement.

Hybrides

L'insertion de l'aimant amer à l'intérieur du supraconducteur signifie que ce dernier doit avoir un jeu fonctionnel de 400 à 800 mm, soit beaucoup plus que les enregistrements que nous avons vus auparavant. Des aimants avec de grands volumes de travail mais un champ plus petit sont venus au laboratoire de forts champs magnétiques des développeurs de tokamak, où des aimants supraconducteurs basés sur des supraconducteurs froids - étain et niobate de titane ont été créés à la fin des années 70. Au milieu des années 80, un aimant hybride de 11T supraconducteur et 22T amers avec un champ total de 31T a été créé au laboratoire français LNCMI des champs magnétiques puissants avec un champ total de 31T, et en 2000, l'American National MagLab a lancé une installation hybride avec un champ de 45T, qui est toujours le record parmi tous les aimants avec champ permanent.


Boîtier de l'ensemble de l'aimant (gauche) et du cryostat (droite)


Coupe d'un aimant hybride sur un cryostat. Soit dit en passant, la conception de l'aimant supraconducteur externe conçu pour cette installation a ensuite été utilisée dans trois autres aimants d'enregistrement.

L'hybride de 45 Tesla utilise trois aimants supraconducteurs externes et 4 types résistifs internes de Bitter Florida. La partie résistive consomme 29 mégawatts à un courant de 74 kA et crée un champ de 31 T. La partie supraconductrice de l'aimant crée un champ de 14 T et se compose d'enroulements externes de NbTi et d'enroulements internes de Nb3Sn, fonctionne à un courant de 8 kA à une température de 4,2 K. Dégagement cryostat d'un aimant supraconducteur - 500 mm.


Aimant hybride externe supraconducteur 45T


Et l'aimant amer intérieur. Ainsi, 2,5 mètres du corps se transforment en une chambre de travail de 32 mm.

A titre de comparaison, je rappelle que l'aimant toroïdal ITER a un courant filaire de 68 kA, un champ de 12,8 T avec un jeu de 9000x7000 mm, soit on peut imaginer jusqu'où ITER a avancé la technologie des aimants supraconducteurs à basse température.


Soit dit en passant, dans les aimants de laboratoire, ils utilisent un conducteur avec un courant beaucoup plus faible, enroulant plus de tours - cela simplifie le système d'alimentation et le conducteur lui-même. Le revers de la médaille est les tensions électriques plus importantes dans le système lorsque le supraconducteur entre soudainement dans un état normal.

Outre ITER, ces technologies ont évolué avec l'avènement des supraconducteurs industriels à haute température. Si les SP à basse température ne permettent en principe pas la création de champs supérieurs à 22 T, c'est-à-dire Puisqu'ils ne peuvent faire partie que de l'aimant record, pour HTSC, cette limite s'étend à au moins 45 T.


La dépendance de la densité de courant critique du champ pour différents supraconducteurs. Au fait, vous êtes-vous déjà demandé quel type d'équipement est utilisé pour construire ces diagrammes et pourquoi reposent-ils à 45T?

Aujourd'hui, une nouvelle direction dans la création d'aimants record est complètement supraconductrice et maintenant tous les principaux laboratoires du monde (Chine, Pays-Bas, France, États-Unis) conçoivent plus de 30 aimants T SP. Maglab est également en avance sur tout le monde ici, où il a commencé à assembler un aimant entièrement supraconducteur à 32 Ici, 15 T seront créés par des aimants externes de NbTi et Nb3Sn, et un autre 17 - par un aimant HTSC à deux couches de bandes YBCO. Les supraconducteurs à «haute température» sont utilisés ici comme ayant des champs critiques beaucoup plus élevés à la température de l'hélium liquide que ceux à «basse température».


Projet d'aimant entièrement supraconducteur 32T

Les technologies de cet aimant ont nécessité près de 10 ans de développement, les principaux problèmes résidaient dans le domaine des forces pondéromotrices très élevées du côté d'un champ magnétique puissant jusqu'aux spires avec courant. La contrainte mécanique dans les bobines YBCO atteint 700 MPa - ici, en passant, cela aide bien que le ruban HTSC se compose essentiellement principalement d'un alliage de nickel avec des caractéristiques de haute résistance - le cuivre ne résiste pas à de telles contraintes.


R&D d'un aimant HTSC à champ élevé.

La deuxième classe de problèmes est associée à la perte d'urgence de l'état supraconducteur et à la sortie de courant des bobines. En particulier, afin d'éviter les brûlures dues à la lente propagation de la zone normale, des éléments chauffants sont intégrés dans les bobines qui, lorsqu'une transition est détectée, chauffent la bobine entière afin que l'énergie du champ soit libérée plus uniformément.


Littéralement récemment, la bobine de travail intérieure était faite de ruban HTSC; bientôt, vous pouvez vous attendre au lancement et à l'assemblage de l'aimant.

Cet aimant aura un volume de travail «froid», et est bien adapté pour étudier les états condensés de la matière et les effets quantiques dans les solides, alors qu'il s'agit d'une classe complètement différente d'appareils en termes de coûts d'exploitation, en particulier, un cryostat, un système de cryostat et un aimant SP externe de NTSC sont produits en série fabriqués par Oxford Instruments.



En général, oxford instruments est le plus grand fournisseur d'aimants supraconducteurs, principalement pour toutes les applications scientifiques et de laboratoire dans les domaines du 3-15T. Dans le cadre du projet ITER, cette société, par exemple, fournit des aimants 6T pour les gyrotrons

En général, avant de passer aux prochains détenteurs de records, je voudrais parler de plusieurs applications de ces aimants au-delà de la simple fourniture d'un support avec un champ magnétique élevé.

L'un des principaux consommateurs appliqués d'aimants à champ élevé en série est le spectromètre RMN, un outil de travail pour les chimistes. Bruker, en particulier, produit des spectromètres de masse avec un champ allant jusqu'à 23,5 T (en passant, ces appareils ont des problèmes assez importants pour filtrer un tel champ des personnes et des objets environnants).


L'augmentation historique de la fréquence des spectromètres RMN, ce qui permet d'améliorer la qualité des spectres RMN.

Le deuxième consommateur en série est les tomographes RMN haute résolution, qui sont utilisés dans les études biologiques et neurobiologiques. Ici, les champs atteignent 21T. Enfin, les centres avec des sources de neutrons sont un consommateur un peu moins appliqué, l'une des méthodes pour étudier les phénomènes magnétiques quantiques est l'étude de la diffusion des neutrons sur la matière dans un fort champ magnétique, ainsi que les réfrigérateurs pour les températures submicroquelvines, nécessitant des champs de 8 à 20 T.


Vidéo de l'assemblage d'un aimant 26T à grand dégagement pour étudier la diffusion de neutrons polarisés sur la matière à Helmholtz-Zentrum Berlin

Aimants à impulsion

Les principaux problèmes d'ingénierie liés à la création d'aimants à champ élevé - dissipateur thermique et résistance - sont grandement facilités si nous passons d'un champ magnétique constant à un champ pulsé. À leur tour, les systèmes d'impulsions sont divisés en réutilisables et jetables :)

Fait intéressant, le pionnier dans le domaine des aimants pulsés était Peter Kapitsa, qui était engagé dans des installations similaires dans les années 20 au laboratoire Cavendish en Angleterre. Fermant la sortie d'un grand générateur rotatif au solénoïde, il a reçu jusqu'à 50 T pendant plusieurs millisecondes. Une telle approche a permis de mesurer de nombreuses quantités associées à de grands champs magnétiques même dans les années 20, et avec la technologie d'enregistrement moderne, on peut généralement appeler un tel champ presque quasi-stationnaire.


Kapitsa et sa machine pour créer des champs magnétiques pulsés.

Améliorant cette approche, dans les années 60, les développeurs sont passés de sources d'énergie électromécaniques tournantes à des condensateurs et à des générateurs d'impulsions de tension, ce qui permet de créer une densité de courant de plusieurs kiloampères par mm ^ 2 dans une bobine de cuivre.

En combinaison avec un renforcement électrique sous forme de matrice en acier et un refroidissement à l'azote liquide (pour réduire la résistance, ce qui réduit la tension requise, ce qui facilite l'isolement dans un tel aimant) en 2012, les aimants en cuivre pulsé ont atteint 101,2 T en 1 milliseconde - c'est la valeur aujourd'hui est un record (et il appartient à la collaboration du laboratoire américain d'armes nucléaires LANL et du Florida MagLab).


Une vidéo sur l'obtention d'une valeur de champ record de 101,2 T. Cependant, il y a peu de choses qui peuvent être vues, et en effet il semble que la conception de l'aimant soit classée, seules les valeurs générales sont connues

Cette valeur est également atteinte à l'aide de plusieurs bobines imbriquées, les externes donnent une longue impulsion (environ 2 secondes) avec une amplitude allant jusqu'à 45 T, et les internes donnent une courte impulsion de 65 T. Ce circuit permet à la tension dans le conducteur de résister à la limite d'élasticité des matériaux.

Fait intéressant, la puissance d'un tel aimant atteint plusieurs gigawatts.


Le générateur, qui est court-circuité aux enroulements externes de l'aimant pour obtenir des champs pulsés record.

Malheureusement, il n'existe aucun moyen d'augmenter sensiblement la valeur du champ dans une installation réutilisable. Cependant, si la destruction de l'installation ne nous fait pas peur, alors 101 T est loin de la limite.

L'option la plus simple ici est un morceau de cuivre, enroulé dans une bobine, sur lequel des condensateurs haute tension sont connectés. Un tel schéma permet d'obtenir à la fois 300 et 400 Tesla, bien que pour un temps très court (de l'ordre des microsecondes) de plusieurs millimètres cubes, ce qui pour un expérimentateur qui étudie la topologie des surfaces de Fermi dans les solides, par exemple, est une limitation assez compliquée.


Champ d'impulsion sur un aimant unique.

Une manière assez élégante de sortir de ces restrictions a été trouvée dans les années 50 par l'invention de générateurs magnétiques explosifs. Ici, un champ magnétique de semence de 10-20 T est compressé à 2800 (!) T. Cela se fait à l'aide d'une doublure cylindrique métallique qui, à l'aide d'une onde de souffle cylindrique de la charge explosive, s'effondre sur son axe. Dans ce cas, le champ magnétique longitudinal augmente d'environ 100 à 200 fois. Comparé au schéma précédent, une impulsion de champ magnétique légèrement plus longue peut être obtenue dans le générateur magnétique explosif, et un volume légèrement plus grand pour l'échantillon, cependant, au prix d'une configuration expérimentale beaucoup plus compliquée.



Générateur magnétique explosif et son schéma de circuit.

Dès les années 1950, en utilisant le HMG, diverses caractéristiques des matériaux dans un champ magnétique extrême ont été mesurées - conductivité, rotation de polarisation (effet Faraday), compression du champ magnétique d'un noyau atomique, etc. Un autre résultat intéressant est la possibilité d'accélérer des objets métalliques avec de tels champs magnétiques à des vitesses d'environ 100 km / s.

Les limitations de champ des générateurs magnétiques explosifs, à leur tour, sont encore tout à fait fondamentales et sont associées à la pression du champ magnétique, qui atteint des dizaines de mégabars et arrête le revêtement métallique. 3000 Tesla ici est apparemment une limite asymptotique.

À leur tour, des valeurs de pression plus élevées (gigaoctets) sont atteintes dans les dispositifs d'implosion laser et, purement théoriquement, de tels dispositifs peuvent créer des champs magnétiques de dizaines de milliers et même 100 000 tesla, bien qu'en nanosecondes et en volumes microns. L'impulsion laser focalisée elle-même d'un laser petawatt a un champ magnétique alternatif avec une amplitude encore plus grande - un million de Tesla et plus. Bien sûr, les conditions dans lesquelles un tel champ apparaît (un plasma dense avec une température de centaines de eV - des dizaines de keV) sont loin des intérêts de la science appliquée, mais elles sont très intéressantes pour la science fondamentale.


Historique des enregistrements de champ magnétique pour différents types d'installations (réutilisable :))

En conclusion de l'examen des enregistrements magnétiques, il convient de rappeler les magnétars - jeunes étoiles à neutrons avec des champs magnétiques élevés. Ici, c'est jusqu'à 100 milliards de Tesla. Un champ magnétique de cet ordre, par exemple, a une densité d'énergie de 10 ^ 25 J par mètre cube, l'équivalent de mc ^ 2 pour une substance 10 000 fois plus dense que le plomb. ( , ) , .