Catatan magnetik

Hari ini kita akan berbicara tentang magnet catatan dan sedikit tentang mengapa magnet itu dibutuhkan.


Magnet desain ini (magnet pahit resistif) tetap menjadi benda kerja laboratorium dengan medan magnet yang kuat.

Konsumen utama dari magnet terkuat sepanjang abad ke-20 adalah sains. Instalasi termonuklir, akselerator, penelitian resonansi magnetik nuklir, fisika neutron, pendinginan hingga suhu di bawah 1 kelvin dan lebih banyak lagi memerlukan intensitas / induksi magnetik tertinggi (ketika mempertimbangkan "kekuatan" lapangan, nilai-nilai ini dapat dianggap sama).



Catatan magnet lain, yang tidak akan kita bicarakan hari ini, adalah dipol ganda dari akselerator LHC - dari tahun 1232 ini, cincin utamanya diputar. Bidang ~ 9 T dibuat oleh kabel superkonduktor NbTi yang didinginkan hingga 1,8 K

Sebelum melanjutkan ke desain tertentu, perlu diingat bahwa energi medan magnet, kekuatan pengaruhnya terhadap muatan listrik dan diameter, tergantung pada induksi B sebagai bujur sangkar. Yaitu bidang 10 Tesla membawa 100 lebih banyak energi daripada bidang 1 Tesla. Karakteristik penting adalah medan tekanan pada tabung saat ini, yaitu 4 B ^ 2 atmosfer. Yaitu untuk perancang magnet, bidang 100 T setara dengan mencoba membuat balon untuk 40.000 atmosfer - tugas yang sangat sulit. Ini juga menunjukkan bahwa magnet yang kuat dengan volume kerja yang besar ( seperti ITER ) bahkan lebih kompleks daripada magnet yang kuat.


Catatan lain yang tidak biasa adalah magnet superkonduktor dari stellarator 7-X Wendelstein Jerman dengan geometri kompleks.

Jadi, kita akan mulai dengan mendefinisikan beberapa koordinat. Magnet permanen, yang diproduksi oleh industri, dicirikan oleh nilai-nilai medan 0,01-0,5 T, dan magnet neodymium 0,5 T sudah dianggap "kuat". Catatan yang dapat diperas dari magnet permanen ~ 1,5 T di permukaan.

Dalam mesin listrik (motor, generator, transformer), bidang di dalam sirkuit magnetik besi dibatasi oleh saturasi besi, bidang sekitar 1,8-2,2 T. Di celah udara motor asinkron khas, kemungkinan besar Anda akan melihat bidang 0,5-0,8. T, untuk motor dengan kekuatan pemecah rekor dan karakteristik massa BLDC (4-5 kW / kg) - 1 ... 1.2 T.


Aplikasi yang agak asli dari kekuatan magnet neodymium adalah motor listrik 19 kW (silinder merah pada gambar), 2 di antaranya memutar oksidator dan pompa bahan bakar pada mesin roket Rocketford Rocket lab baru.

Di suatu tempat mulai pada 1,5 T, elektromagnet tembaga konvensional mulai mengalami kesulitan, terutama dengan pembuangan panas. Kebutuhan untuk mencampurkan tembaga dengan tabung pendingin air, serta meningkatnya tegangan antar belokan, memperbesar dimensi magnet jauh lebih cepat daripada pertumbuhan medan. Belokan yang terletak lebih jauh dari volume kerja memberikan kontribusi yang relatif kecil ke medan, yang berarti bahwa arus terutama dihabiskan untuk memanaskan magnet, dan bukan untuk menciptakan medan.

Tembaga

Namun, sejak tahun 1930-an dan hampir sampai sekarang, bidang-bidang stasioner yang memecahkan rekor telah dicapai dalam magnet tembaga praktis berpendingin air. Ini adalah magnet Bitter, yang merupakan pelat tembaga yang dipilin menjadi spiral dan memiliki sistem saluran pendingin longitudinal yang licik. Magnet-magnet ini dicirikan oleh kepadatan arus yang sangat besar (hingga 700 A / mm ^ 2), kekuatan listrik 1,10 dan bahkan 30 megawatt, dan konsumsi air pendingin puluhan dan ratusan liter per detik. Magnet 10 T pertama diluncurkan pada tahun 1936, dan selama 30 tahun berikutnya memegang rekor untuk bidang stasioner.

60-an magnet pahit Amerika pada 25 Tesla.

Desain magnet ini kemudian dioptimalkan berulang kali, dan hari ini catatan lapangan dalam magnet tersebut telah dinaikkan hingga 38,5 T di laboratorium Cina CHMFL. Daya magnetnya 28,5 MW dengan laju aliran air pendingin 500 liter per detik (ngomong-ngomong, sepertinya Anda perlu menambahkan daya magnet yang hampir sama ke pompa yang memompa air ini melalui magnet). Saat ini sekitar 36 ribu ampere. Dalam hal ini, bidang rekaman dicapai dalam volume dengan diameter hanya 32 mm dan panjang sekitar 70 mm.




Cina mencatat magnet resistif - satu putaran spiral solenoid (terbuat dari paduan CuAg), sebuah bagian dan satu set gulungan koaksial.

Magnet resistif saat ini telah mendekati batas kemampuan bahan, dan bidang maksimum yang tersedia di dalamnya tumbuh terutama secara luas - dengan meningkatkan kekuatan daya dan sistem pendingin, meningkatkan jumlah kumparan. Magnet seperti saat ini terutama digunakan untuk mempelajari fenomena fisik yang sangat beragam dalam sampel kecil, seringkali pada suhu rendah. Oleh karena itu, magnet semacam itu bekerja di pusat-pusat penggunaan kolektif, ketika fisikawan membawa sampel dan peralatan mereka, memasangnya pada magnet dan mengukur jumlah yang mereka butuhkan. Untuk sampel kecil, cukup nyaman menggunakan magnet dengan jarak bebas kecil, seperti 20-30 mm.


Bagian atas magnet pahit 30T tanpa penutup. Di sini Anda dapat melihat pembukaan ruang penelitian dan slot untuk memasok air pendingin.

Namun, ada aplikasi lain dari medan magnet besar hari ini - ini adalah pencitraan NMR , mis. memetakan kepadatan jaringan karena interaksi hidrogen dengan gelombang radio dalam medan magnet yang kuat. Semakin tinggi bidang, semakin besar resolusi spasial sistem. Sistem seperti itu membutuhkan volume magnet yang cukup besar serta homogenitas medan yang tinggi. Penelitian di bidang superkonduktivitas pada gilirannya membutuhkan cryostats, yang sulit masuk ke dalam diameter 32 mm, dan bidang untuk beberapa superkonduktor membutuhkan lebih banyak.


Berjalan sedikit di depan - tomograf NMR superkonduktor dengan bidang ultrahigh (21T), jarak bebas 110 mm dan contoh gambar yang dihasilkan dengan resolusi 26 mikron

Oleh karena itu, sejak tahun 80-an abad ke-20, arah magnet hibrida telah muncul, gagasannya adalah menempatkan magnet Bitter di dalam superkonduktor, bidang yang akan bertambah. Ini memungkinkan Anda untuk meningkatkan ladang lebih jauh tanpa pertumbuhan persyaratan yang sudah mengerikan untuk konsumsi daya dan air pendingin.

Hibrida

Penyisipan magnet Bitter di dalam superkonduktor berarti bahwa yang terakhir harus memiliki jarak bebas 400-800 mm, mis. secara signifikan lebih dari catatan yang kita lihat sebelumnya. Magnet dengan volume kerja besar tetapi bidang yang lebih kecil datang ke laboratorium medan magnet yang kuat dari pengembang tokamak, di mana magnet superkonduktor berdasarkan superkonduktor dingin - timah dan titanium niobate dibuat pada akhir 70-an. Pada pertengahan 80-an, magnet hibrida dari 11T superkonduktor dan 22T pahit dengan total bidang 31T dibuat di laboratorium Prancis LNCMI dengan medan magnet kuat dengan total medan 31T, dan pada 2000, American National MagLab meluncurkan instalasi hibrida dengan bidang 45T, yang masih merupakan rekor di antara semua magnet dengan magnet bidang permanen.


Casing seluruh magnet (kiri) dan cryostat (kanan)


Bagian dari magnet hybrid pada cryostat. Omong-omong, desain magnet superkonduktor eksternal yang dirancang untuk instalasi ini kemudian digunakan dalam tiga magnet rekor lagi.

45 Tesla hybrid menggunakan tiga magnet superkonduktor eksternal dan 4 jenis resistif internal Bitter Florida. Bagian resistif mengkonsumsi 29 megawatt pada arus 74 kA dan menciptakan medan 31 T. Bagian superkonduktor dari magnet menciptakan medan 14 T dan terdiri dari gulungan eksternal NbTi dan gulungan internal Nb3Sn, beroperasi pada arus 8 kA pada suhu 4,2 K. cryostat dari magnet superkonduktor - 500 mm.


45T Superkonduktor Magnet Hibrid Eksternal


Dan magnet pahit dalam. Jadi 2,5 meter dari tubuh berubah menjadi ruang kerja 32 mm.

Sebagai perbandingan, saya ingat bahwa magnet toroidal ITER memiliki arus kawat 68 kA, bidang 12,8 T dengan jarak bebas 9000x7000 mm, mis. orang bisa membayangkan seberapa jauh ITER telah mengembangkan teknologi magnet superkonduktor suhu rendah.


Omong-omong, dalam magnet laboratorium mereka menggunakan konduktor dengan arus yang jauh lebih rendah, berliku lebih banyak belokan - ini menyederhanakan sistem daya dan konduktor itu sendiri. Sisi lain dari ini adalah tegangan listrik yang lebih besar dalam sistem ketika superkonduktor tiba-tiba memasuki keadaan normal.

Selain ITER, teknologi ini telah bergerak maju dengan munculnya superkonduktor suhu tinggi industri. Jika SP suhu rendah pada prinsipnya tidak memungkinkan pembuatan bidang di atas 22 T, mis. Karena mereka hanya dapat menjadi bagian dari magnet catatan, untuk HTSC batas ini meluas hingga setidaknya 45 T.


Ketergantungan dari kerapatan arus kritis di lapangan untuk superkonduktor yang berbeda. Omong-omong, apakah Anda pernah bertanya-tanya peralatan macam apa yang digunakan untuk membuat diagram ini dan mengapa mereka beristirahat pada suhu 45T?

Hari ini, arah baru dalam penciptaan magnet rekor benar-benar superkonduktor dan sekarang semua laboratorium terkemuka di dunia (Cina, Belanda, Prancis, Amerika Serikat) sedang merancang magnet 30+ T. Maglab juga, di depan semua orang di sini, di mana ia mulai memasang magnet superkonduktor pada 32 T. Di sini 15 T akan dibuat oleh magnet eksternal dari NbTi dan Nb3Sn, dan 17 lainnya - oleh magnet HTSC dua lapis dari kaset YBCO. Superkonduktor "suhu tinggi" digunakan di sini sebagai memiliki medan kritis jauh lebih tinggi pada suhu helium cair daripada yang "suhu rendah".


Proyek Magnet 32T Sepenuhnya Superkonduktor

Teknologi magnet ini membutuhkan hampir 10 tahun pengembangan, masalah utama terletak pada medan gaya ponderomotive yang sangat tinggi dari sisi medan magnet yang kuat hingga belokan dengan arus. Tegangan mekanis pada kumparan YBCO mencapai 700 MPa - di sini, omong-omong, sangat membantu bahwa pita HTSC pada dasarnya terdiri dari paduan nikel dengan karakteristik kekuatan tinggi - tembaga tidak tahan terhadap tekanan semacam itu.


R&D magnet HTSC medan-tinggi.

Kelas kedua masalah dikaitkan dengan hilangnya keadaan darurat superkonduktor, dan output arus dari kumparan. Secara khusus, untuk menghindari pembakaran karena perambatan lambat dari zona normal, pemanas dibangun ke dalam kumparan, yang, ketika transisi terdeteksi, panaskan seluruh koil sehingga energi medan dilepaskan lebih merata.


Baru-baru ini, kumparan kerja dalam terbuat dari pita HTSC, segera Anda dapat mengharapkan peluncuran dan perakitan magnet.

Magnet ini akan memiliki volume kerja "dingin", dan sangat cocok untuk mempelajari keadaan materi dan efek kuantum yang terkondensasi dalam padatan, sementara ini adalah kelas perangkat yang sama sekali berbeda dalam hal biaya operasi, khususnya, cryostat, sistem cryostat dan magnet SP eksternal dari NTSC. produk serial yang diproduksi oleh Oxford Instruments.



Secara umum, instrumen oxford adalah pemasok terbesar magnet superkonduktor, terutama untuk semua aplikasi ilmiah dan laboratorium di bidang 3-15T. Dalam proyek ITER, perusahaan ini, misalnya, memasok magnet 6T untuk gyrotron

Secara umum, sebelum pindah ke pemegang rekor berikutnya, saya ingin berbicara tentang beberapa aplikasi magnet semacam itu di luar hanya menyediakan dudukan dengan medan magnet tinggi.

Salah satu konsumen terapan utama dari magnet medan-tinggi serial adalah spektrometer NMR, alat yang berfungsi untuk ahli kimia. Bruker, khususnya, menghasilkan spektrometer massa dengan bidang hingga 23.5T (omong-omong, perangkat tersebut memiliki masalah yang agak besar dengan menyaring bidang tersebut dari orang dan benda di sekitarnya).


Peningkatan historis dalam frekuensi spektrometer NMR, yang memungkinkan peningkatan kualitas spektrum NMR.

Konsumen seri kedua adalah tomograf NMR resolusi tinggi, yang digunakan dalam studi biologi dan neurobiologis. Di sini bidang mencapai 21T. Akhirnya, pusat-pusat dengan sumber neutron adalah konsumen yang sedikit kurang diterapkan, salah satu metode untuk mempelajari fenomena kuantum magnetik adalah studi tentang hamburan neutron pada materi dalam medan magnet yang kuat, serta lemari es untuk suhu submicroquelvin, membutuhkan medan dari 8 hingga 20 T.


Video dari perakitan magnet 26T dengan izin besar untuk mempelajari hamburan neutron terpolarisasi pada materi di Helmholtz-Zentrum Berlin

Magnet impuls

Masalah teknik utama dalam menciptakan magnet medan-tinggi - heat sink dan kekuatan - sangat difasilitasi jika kita beralih dari medan magnet konstan ke magnet. Pada gilirannya, sistem pulsa dibagi menjadi dapat digunakan kembali dan sekali pakai :)

Menariknya, pelopor dalam bidang magnet berdenyut adalah Peter Kapitsa, yang terlibat dalam instalasi serupa pada tahun 20-an di laboratorium Cavendish di Inggris. Menutup output generator berputar besar ke solenoid, ia menerima hingga 50 T selama beberapa milidetik. Pendekatan semacam itu memungkinkan untuk mengukur banyak kuantitas yang terkait dengan medan magnet besar bahkan di tahun 20-an, dan dengan teknologi perekaman modern, seseorang biasanya dapat menyebut bidang semacam itu hampir quasi-quasioner.


Kapitsa dan mesinnya untuk menciptakan medan magnet berdenyut.

Meningkatkan pendekatan ini, pada tahun 60an, pengembang beralih dari memutar sumber energi elektromekanis ke kapasitor dan generator pulsa tegangan, yang memungkinkan untuk membuat kerapatan arus banyak kiloamper per mm ^ 2 dalam koil tembaga.

Dalam kombinasi dengan penguatan daya dalam bentuk matriks baja dan pendinginan dengan nitrogen cair (untuk mengurangi resistensi, yang mengurangi tegangan yang diperlukan, yang memfasilitasi isolasi dalam magnet semacam itu) pada tahun 2012, magnet tembaga berdenyut mencapai 101,2 T dalam waktu 1 milidetik - ini adalah nilai saat ini adalah catatan (dan itu milik kolaborasi laboratorium senjata nuklir Amerika LANL dan Florida MagLab).


Sebuah video tentang mencapai nilai bidang rekaman 101.2 T. Namun, ada sedikit yang bisa dilihat, dan memang tampaknya desain magnet diklasifikasikan, hanya nilai-nilai umum yang diketahui

Nilai ini juga dicapai dengan bantuan beberapa kumparan bersarang, yang eksternal memberikan pulsa panjang (sekitar 2 detik) dengan amplitudo hingga 45 T, dan yang internal memberikan pulsa pendek 65 T. Sirkuit ini memungkinkan tegangan pada konduktor untuk menahan kekuatan luluh bahan.

Menariknya, kekuatan magnet semacam itu mencapai beberapa gigawatt.


Generator, yang disingkat ke gulungan eksternal dari magnet untuk mendapatkan bidang rekaman pulsed.

Sayangnya, tidak ada cara untuk secara nyata meningkatkan nilai bidang dalam instalasi yang dapat digunakan kembali. Namun, jika penghancuran instalasi tidak menakutkan bagi kami, maka 101 T masih jauh dari batas.

Pilihan paling sederhana di sini adalah sepotong tembaga, digulung menjadi koil, di mana kapasitor tegangan tinggi terhubung. Skema semacam itu memungkinkan untuk memperoleh 300 dan 400 Tesla, walaupun untuk waktu yang sangat singkat (dalam urutan mikrodetik) dalam jumlah beberapa milimeter kubik, yang bagi seorang peneliti yang mempelajari topologi permukaan Fermi dalam padatan, misalnya, adalah batasan yang agak rumit.


Medan impuls pada magnet satu kali.

Sebuah jalan keluar yang agak elegan dari pembatasan ini ditemukan kembali pada tahun 50-an oleh penemuan generator magnet yang eksplosif. Di sini, medan magnet benih 10-20 T dikompresi menjadi 2800 (!) T. Ini dilakukan dengan menggunakan liner silinder logam, yang dengan bantuan gelombang ledakan silinder dari muatan ledak runtuh ke porosnya. Dalam hal ini, medan magnet memanjang meningkat sekitar 100-200 kali. Dibandingkan dengan skema sebelumnya, pulsa medan magnet yang sedikit lebih panjang dapat diperoleh dalam generator magnetik ledak, dan volume yang sedikit lebih besar untuk sampel, namun, dengan biaya pengaturan eksperimental yang jauh lebih rumit.



Generator magnetik ledak dan diagram sirkuitnya.

Sejauh tahun 1950-an, dengan menggunakan VMG, berbagai karakteristik bahan dalam medan magnet ekstrim diukur - konduktivitas, rotasi polarisasi (efek Faraday), kompresi medan magnet inti atom, dll. Hasil menarik lainnya adalah kemungkinan akselerasi benda logam dengan medan magnet sedemikian hingga kecepatan sekitar 100 km / dtk.

Batasan medan generator magnetik ledak, pada gilirannya, sekali lagi cukup mendasar dan dikaitkan dengan tekanan medan magnet, yang mencapai puluhan megabars dan menghentikan pelapis logam. 3000 Tesla di sini tampaknya merupakan batas asimptotik.

Pada gilirannya, nilai-nilai tekanan yang lebih tinggi (gigabytes) dicapai dalam perangkat ledakan laser, dan, secara teoritis, perangkat tersebut dapat menciptakan medan magnet puluhan ribu dan bahkan 100 ribu tesla, meskipun dalam nanodetik dan dalam volume mikron. Pulsa laser terfokus itu sendiri dari laser petawatt memiliki medan magnet bolak-balik dengan amplitudo lebih besar - satu juta Tesla dan lebih tinggi. Tentu saja, kondisi di mana bidang tersebut muncul (plasma padat dengan suhu ratusan eV - puluhan keV) jauh dari kepentingan ilmu terapan, tetapi mereka sangat menarik untuk ilmu dasar.


Sejarah catatan medan magnet untuk berbagai jenis instalasi (dapat digunakan kembali :))

Sebagai penutup ulasan catatan magnetik, perlu diingat tentang magnetar - bintang neutron muda dengan medan magnet tinggi. Tinggi di sini - hingga 100 miliar Tesla. Medan magnet ordo ini, misalnya, memiliki kerapatan energi 10 ^ 25 J per meter kubik, setara dengan mc ^ 2 untuk zat 10.000 kali lebih padat daripada timbal. ( , ) , .