Registros magnéticos

Hoje falaremos sobre ímãs de registro e um pouco sobre por que eles são necessários.


Os ímãs desse projeto (ímãs resistentes amargos) permanecem cavalos de trabalho de laboratórios de fortes campos magnéticos.

O principal consumidor dos ímãs mais fortes do século XX foi a ciência. Instalações termonucleares, aceleradores, pesquisa de ressonância magnética nuclear, física de nêutrons, resfriamento a temperaturas abaixo de 1 kelvin e muito mais requerem a maior intensidade / indução magnética possível (ao considerar a "força" do campo, esses valores podem ser considerados sinônimos).



Outro imã de registro, sobre o qual não falaremos hoje, é o dipolo duplo do acelerador LHC - desses 1232, seu anel principal é discado. Um campo de ~ 9 T é criado por um cabo supercondutor de NbTi resfriado a 1,8 K

Antes de prosseguir para projetos específicos, vale lembrar que a energia de um campo magnético, a força de seu efeito sobre cargas elétricas e diamagnetos, depende da indução B como um quadrado. I.e. um campo de 10 Tesla carrega 100 mais energia do que um campo de 1 Tesla. Uma característica importante é o campo de pressão nos tubos de corrente, que são 4 atmosferas B ^ 2. I.e. para um projetista de ímãs, um campo de 100 T é equivalente a tentar criar um balão para 40.000 atmosferas - uma tarefa extremamente difícil. Isso também mostra que ímãs poderosos com um grande volume de trabalho ( como o ITER ) são ainda mais complexos do que apenas ímãs poderosos.


Outro registro incomum são os ímãs supercondutores do stellarator alemão Wendelstein 7-X com geometria complexa.

Então, começaremos definindo algumas coordenadas. Os ímãs permanentes, fabricados pela indústria, são caracterizados por valores de campo de 0,01 a 0,5 T, e os ímãs de neodímio de 0,5 T já são percebidos como "fortes". Um registro que pode ser extraído de ímãs permanentes ~ 1,5 T na superfície.

Em máquinas elétricas (motores, geradores, transformadores), o campo dentro dos circuitos magnéticos de ferro é limitado pela saturação de ferro, campos de cerca de 1,8-2,2 T. No intervalo de ar de um motor assíncrono típico, você provavelmente verá um campo de 0,5-0,8 T, para motores com características de potência e massa recordes BLDC (4-5 kW / kg) - 1 ... 1,2 T.


Uma aplicação bastante original do poder dos ímãs de neodímio é um motor elétrico de 19 kW (o cilindro vermelho na imagem), 2 dos quais giram o oxidante e as bombas de combustível no novo motor de foguete de laboratório Rocketford Rocket.

Em algum lugar a partir de 1,5 T, os eletroímãs convencionais de cobre começam a ter dificuldades, principalmente com a dissipação de calor. A necessidade de misturar cobre com tubos de refrigeração a água, bem como a crescente tensão entre curvas, aumenta as dimensões do ímã muito mais rapidamente do que o campo cresce. As voltas localizadas mais afastadas do volume de trabalho fazem uma contribuição relativamente pequena para o campo, o que significa que a corrente é gasta principalmente no aquecimento do ímã, e não na criação do campo.

Cobre

No entanto, desde a década de 1930 e quase até agora, campos estacionários recordes foram alcançados em ímãs de cobre resfriados a água praticamente comuns. Estes são os chamados ímãs amargos, que são uma placa de cobre torcida em espiral e com um sistema astuto de canais de refrigeração longitudinais. Esses ímãs são caracterizados por densidades de corrente monstruosas (até 700 A / mm ^ 2), potências elétricas de 1,10 e até 30 megawatts e consumo de água de resfriamento de dezenas e centenas de litros por segundo. O primeiro ímã de 10 T foi lançado em 1936 e, pelos próximos 30 anos, registrou um recorde para um campo estacionário.

Ímãs amarelos americanos dos anos 60 em 25 Tesla.

Esse design dos ímãs foi otimizado repetidamente e hoje o recorde de campo desses ímãs foi alcançado em 38,5 T no laboratório chinês da CHMFL. A potência do ímã era de 28,5 MW, com uma taxa de fluxo de água de resfriamento de 500 litros por segundo (a propósito, parece que você precisa adicionar o mesmo à potência do ímã nas bombas que bombeiam essa água através do ímã). A corrente é de cerca de 36 mil amperes. Nesse caso, um campo de registro é alcançado em um volume com diâmetro de apenas 32 mm e comprimento de cerca de 70 mm.




O ímã resistivo recorde chinês - uma corrida da espiral solenóide (feita de liga CuAg), uma seção e um conjunto de bobinas coaxiais.

Hoje, os ímãs resistivos se aproximaram dos limites das capacidades dos materiais, e o campo máximo disponível neles está crescendo principalmente extensivamente - aumentando a potência dos sistemas de energia e refrigeração, aumentando o número de bobinas. Hoje, esses ímãs são usados ​​principalmente para estudar fenômenos físicos muito diversos em amostras pequenas, geralmente em baixas temperaturas. Portanto, esses ímãs funcionam em centros de uso coletivo, quando os físicos trazem suas amostras e equipamentos, os instalam em um ímã e medem as quantidades necessárias. Para amostras pequenas, é bastante conveniente usar ímãs com uma pequena folga, como 20 a 30 mm.


A parte superior de um ímã amargo de 30T sem tampa. Aqui você pode ver a abertura da câmara de pesquisa e slots para o fornecimento de água de resfriamento.

No entanto, hoje existe outra aplicação de grandes campos magnéticos - essa é a imagem de RMN , ou seja, mapeamento da densidade do tecido devido à interação do hidrogênio com as ondas de rádio em um forte campo magnético. Quanto maior o campo, maior a resolução espacial do sistema. Tais sistemas requerem um volume de trabalho bastante grande do ímã, além de alta homogeneidade de campo. A pesquisa no campo da supercondutividade, por sua vez, requer criostatos, difíceis de ajustar em um diâmetro de 32 mm, e o campo para alguns supercondutores precisa de mais.


Um pouco à frente - um tomógrafo RMN supercondutor com um campo ultra-alto (21T), uma folga de 110 mm e um exemplo da imagem resultante com uma resolução de 26 mícrons

Portanto, desde os anos 80 do século XX, a direção dos ímãs híbridos surgiu, cuja idéia é colocar o ímã Amargo dentro do campo supercondutor, cujos campos serão somados. Isso permite aumentar ainda mais o campo sem o crescimento dos requisitos já monstruosos de consumo de energia e água de resfriamento.

Híbridos

A inserção do ímã amargo dentro do supercondutor significa que este último deve ter uma folga de trabalho de 400-800 mm, isto é, significativamente mais do que os registros que vimos antes. Ímãs com grandes volumes de trabalho, mas um campo menor chegaram ao laboratório de fortes campos magnéticos dos desenvolvedores de tokamak, onde os ímãs supercondutores baseados em supercondutores frios - niobato de estanho e titânio foram criados no final dos anos 70. Em meados dos anos 80, um ímã híbrido de supercondutor de 11T e bitters de 22T com um campo total de 31T foi criado no laboratório francês LNCMI de fortes campos magnéticos com um campo total de 31T e, em 2000, o American National MagLab lançou uma instalação híbrida com um campo de 45T, que ainda é o recorde entre todos os ímãs com campo permanente.


Caixa do ímã inteiro (esquerda) e criostato (direita)


Seção de um ímã híbrido em um criostato. A propósito, o design do ímã supercondutor externo projetado para esta instalação foi usado em mais três ímãs de registro.

O híbrido 45 Tesla usa três ímãs supercondutores externos e 4 tipos resistivos internos de Bitter Florida. A parte resistiva consome 29 megawatts a uma corrente de 74 kA e cria um campo de 31 T. A parte supercondutora do ímã cria um campo de 14 T e consiste em enrolamentos externos de NbTi e enrolamentos internos de Nb3Sn, opera a uma corrente de 8 kA a uma temperatura de 4,2 K. criostato de um ímã supercondutor - 500 mm.


Ímã híbrido externo supercondutor 45T


E o ímã amargo interno. Então, 2,5 metros do corpo se transformam em uma câmara de trabalho de 32 mm.

Para comparação, lembro que o ímã toroidal ITER possui uma corrente de arame de 68 kA, um campo de 12,8 T com uma folga de 9000x7000 mm, ou seja, pode-se imaginar até que ponto o ITER avançou na tecnologia de ímãs supercondutores de baixa temperatura.


Aliás, em ímãs de laboratório, eles usam um condutor com uma corrente muito mais baixa, girando mais voltas - isso simplifica o sistema de energia e o próprio condutor. O outro lado disso são as tensões elétricas maiores no sistema quando o supercondutor entra repentinamente em um estado normal.

Além do ITER, essas tecnologias avançaram com o advento dos supercondutores industriais de alta temperatura. Se os SPs de baixa temperatura, em princípio, não permitirem a criação de campos acima de 22 T, ou seja, Como eles só podem fazer parte do ímã de registro, para HTSC esse limite se expande para pelo menos 45 T.


A dependência da densidade crítica de corrente no campo para diferentes supercondutores. A propósito, você já se perguntou que tipo de equipamento é usado para criar esses diagramas e por que eles descansam a 45T?

Hoje, uma nova direção na criação de ímãs de registro é completamente supercondutora e agora todos os principais laboratórios do mundo (China, Holanda, França, EUA) estão projetando mais de 30 ímãs de SP T. A Maglab também está à frente de todos aqui, onde começou a montar um ímã totalmente supercondutor em 32 T. Aqui, 15 T serão criados por ímãs externos de NbTi e Nb3Sn, e outros 17 - por um ímã HTSC de duas camadas das fitas YBCO. Os supercondutores de "alta temperatura" são usados ​​aqui como tendo campos críticos muito mais altos à temperatura do hélio líquido do que os de "baixa temperatura".


Projeto de ímã totalmente supercondutor de 32T

As tecnologias deste ímã exigiram quase 10 anos de desenvolvimento; os principais problemas estavam no campo de forças ponderomotivas muito altas, do lado de um poderoso campo magnético às curvas com corrente. O estresse mecânico nas bobinas YBCO chega a 700 MPa - aqui, a propósito, ajuda muito que a fita HTSC consista essencialmente principalmente de uma liga de níquel com características de alta resistência - o cobre não suporta tais tensões.


Pesquisa e desenvolvimento de um ímã HTSC de alto campo.

A segunda classe de problemas está associada à perda de emergência do estado supercondutor e à saída de corrente das bobinas. Em particular, para evitar queimaduras devido à lenta propagação da zona normal, os aquecedores são incorporados às bobinas, as quais, quando uma transição é detectada, aquecem toda a bobina para que a energia do campo seja liberada de maneira mais uniforme.


Literalmente recentemente, a bobina de trabalho interna foi feita com fita HTSC; em breve, você poderá esperar o lançamento e a montagem do ímã.

Esse ímã terá um volume de trabalho "frio" e é adequado para o estudo dos estados condensados ​​da matéria e dos efeitos quânticos em sólidos, enquanto essa é uma classe completamente diferente de dispositivos em termos de custos operacionais, em particular um criostato, um sistema criostático e um ímã externo de SP da NTSC. produtos em série fabricados pela Oxford Instruments.



Em geral, a oxford instruments é o maior fornecedor de ímãs supercondutores, principalmente para todas as aplicações científicas e laboratoriais nos campos de 3-15T. No projeto ITER, essa empresa, por exemplo, fornece ímãs de 6T para girotrons

Em geral, antes de passar para os próximos detentores de registros, gostaria de falar sobre várias aplicações desses ímãs, além de apenas fornecer um suporte com um campo magnético alto.

Um dos principais consumidores aplicados de ímãs seriais de alto campo é o espectrômetro de RMN, uma ferramenta de trabalho para químicos. Bruker, em particular, produz espectrômetros em massa com um campo de até 23,5T (a propósito, esses dispositivos têm grandes problemas em rastrear esse campo de pessoas e objetos ao redor).


O aumento histórico na frequência dos espectrômetros de RMN, o que permite melhorar a qualidade dos espectros de RMN.

O segundo consumidor em série são os tomógrafos de RMN de alta resolução, utilizados em estudos biológicos e neurobiológicos. Aqui os campos atingem 21T. Finalmente, os centros com fontes de nêutrons são um consumidor ligeiramente menos aplicado, um dos métodos para o estudo de fenômenos quânticos magnéticos é o estudo da dispersão de nêutrons sobre a matéria em um forte campo magnético, além de refrigeradores para temperaturas submicroquelvinas, exigindo campos de 8 a 20 T.


Vídeo da montagem de um ímã de 26T com uma grande folga para estudar a dispersão de nêutrons polarizados na matéria em Helmholtz-Zentrum Berlin

Ímãs de impulso

Os principais problemas de engenharia da criação de ímãs de alto campo - dissipador de calor e resistência - são bastante facilitados se passarmos de um campo magnético constante para um campo pulsado. Por sua vez, os sistemas de pulso são divididos em reutilizáveis ​​e descartáveis ​​:)

Curiosamente, o pioneiro no campo de ímãs pulsados ​​foi Peter Kapitsa, que estava envolvido em instalações semelhantes nos anos 20 no laboratório de Cavendish, na Inglaterra. Fechando a saída de um grande gerador rotativo para o solenóide, ele recebeu até 50 T por vários milissegundos. Tal abordagem tornou possível medir muitas quantidades associadas a grandes campos magnéticos, mesmo nos anos 20, e com a moderna tecnologia de gravação pode-se chamar esse campo de quase quase-estacionário.


Kapitsa e sua máquina para criar campos magnéticos pulsados.

Melhorando essa abordagem, nos anos 60, os desenvolvedores passaram de fontes de energia eletromecânicas rotativas para capacitores e geradores de pulsos de tensão, o que possibilita a criação de uma densidade de corrente de muitos quiloamperes por mm ^ 2 em uma bobina de cobre.

Em combinação com o reforço de potência na forma de uma matriz de aço e o resfriamento com nitrogênio líquido (para reduzir a resistência, o que reduz a tensão necessária, o que facilita o isolamento em um ímã) em 2012, os ímãs de cobre pulsado atingiram 101,2 T dentro de 1 milissegundo - esse é o valor hoje é um recorde (e pertence à colaboração do laboratório americano de armas nucleares LANL e Florida MagLab).


Um vídeo sobre como atingir um valor de campo de registro de 101,2 T. No entanto, há pouco que possa ser visto e, de fato, parece que o design do ímã é classificado, apenas valores gerais são conhecidos.

Esse valor também é alcançado com a ajuda de várias bobinas aninhadas, as externas dão um pulso longo (cerca de 2 segundos) com uma amplitude de até 45 T e as internas dão um pulso curto de 65 T. Esse circuito permite que a tensão no condutor resista à tensão de saída dos materiais.

Curiosamente, o poder desse ímã atinge vários gigawatts.


O gerador, que é curto-circuitado nos enrolamentos externos do ímã para obter campos pulsados ​​de registro.

Infelizmente, não há maneiras de aumentar visivelmente o valor do campo em uma instalação reutilizável. No entanto, se a destruição da instalação não é assustadora para nós, então 101 T está longe do limite.

A opção mais simples aqui é um pedaço de cobre enrolado em uma bobina, na qual os capacitores de alta tensão estão conectados. Esse esquema torna possível obter Tesla 300 e 400, embora por um período muito curto (da ordem de microssegundos) na quantidade de vários milímetros cúbicos, o que para um experimentador que estuda a topologia das superfícies de Fermi em sólidos, por exemplo, é uma limitação bastante complicada.


Campo de impulso em um ímã de uso único.

Uma maneira bastante elegante de sair dessas restrições foi encontrada nos anos 50 pela invenção de geradores magnéticos explosivos. Aqui, um campo magnético de 10-20 T é comprimido para 2800 (!) T. Isso é feito usando um revestimento cilíndrico de metal que, com a ajuda de uma onda de explosão cilíndrica da carga explosiva, cai em seu eixo. Nesse caso, o campo magnético longitudinal aumenta em cerca de 100-200 vezes. Comparado com o esquema anterior, um pulso de campo magnético ligeiramente mais longo pode ser obtido no gerador magnético explosivo e um volume ligeiramente maior para a amostra, no entanto, ao custo de uma configuração experimental muito mais complicada.



Gerador magnético explosivo e seu diagrama de circuito.

Já na década de 1950, usando o HMG, foram medidas várias características de materiais em um campo magnético extremo - condutividade, rotação de polarização (efeito Faraday), compressão do campo magnético de um núcleo atômico, etc. Outro resultado interessante é a possibilidade de acelerar objetos de metal com tais campos magnéticos a velocidades de cerca de 100 km / s.

As limitações de campo dos geradores magnéticos explosivos, por sua vez, são novamente bastante fundamentais e estão associadas à pressão do campo magnético, que atinge dezenas de megabares e interrompe o revestimento de metal. 3000 Tesla aqui é aparentemente um limite assintótico.

Por sua vez, são alcançados valores mais altos de pressão (gigabytes) em dispositivos de implosão a laser e, puramente teoricamente, esses dispositivos podem criar campos magnéticos de dezenas de milhares e até 100 mil tesla, embora em nanossegundos e em volumes de mícron. O próprio pulso de laser focalizado de um laser de petawatt tem um campo magnético alternado com uma amplitude ainda maior - um milhão de Tesla e superior. Obviamente, as condições sob as quais esse campo surge (um plasma denso com uma temperatura de centenas de eV - dezenas de keV) estão longe dos interesses da ciência aplicada, mas são muito interessantes para a ciência fundamental.


História dos registros do campo magnético para diferentes tipos de instalações (reutilizáveis ​​:))

Concluindo a revisão dos registros magnéticos, vale a pena recordar os magnetares - estrelas jovens de nêutrons com altos campos magnéticos. Alto aqui - é até 100 bilhões de Tesla. Um campo magnético dessa ordem, por exemplo, possui uma densidade de energia de 10 ^ 25 J por metro cúbico, o equivalente a mc ^ 2 para uma substância 10.000 vezes mais densa que o chumbo. Observações de magnetares (e estrelas comuns de nêutrons cujos campos são milhares de vezes menores) fornecem uma melhor compreensão do comportamento da matéria e do espaço sob tais condições, complementando a pesquisa de laboratório com ímãs gravados.