今天，我们将讨论记录磁铁，并简要说明为什么需要它们。
这种设计的磁体（阻性苦味磁体）仍然是强磁场实验室的主力军。在整个20世纪，最强磁铁的主要消费者是科学。 热核装置，加速器，核磁共振研究，中子物理学，冷却至1开尔文以下的温度以及更多要求最高的磁强度/感应强度（当考虑磁场的“强度”时，这些值可以视为同义词）。
LHC加速器的双偶极子是我们今天将不讨论的另一个创纪录的磁铁-在其中的1232中，拨出了它的主环。 冷却至1.8 K的NbTi超导电缆产生约9 T的磁场在进行特定设计之前，应该记住磁场的能量，即其对电荷和反磁石的影响强度，取决于感应B的平方。 即 一个10特斯拉的场比一个1特斯拉的场多承载100的能量。 一个重要的特性是电流管上的压力场为4 B ^ 2个大气压。 即 对于磁铁设计人员而言，100 T的磁场相当于试图为40,000个大气压创建一个气球-这是一项极其艰巨的任务。 这也表明，具有大工作量的强力磁铁（
如ITER ）比强力磁铁还要复杂。
另一个不寻常的记录是具有复杂几何形状的德国Wendelstein 7-X恒星发生器的超导磁体。因此，我们将从定义一些坐标开始。 由工业制造的永磁体的特征在于场值在0.01至0.5 T之间，而0.5 T的钕磁体已经被认为是“强”的。 可以从表面〜1.5 T的永久磁铁中挤出的记录。
在电机（电动机，发电机，变压器）中，铁磁路内部的磁场受铁饱和度的限制，磁场约为1.8-2.2T。在典型的异步电动机的气隙中，最有可能看到的磁场为0.5-0.8 T，用于具有创纪录的功率和质量特性BLDC（4-5 kW / kg）-1 ... 1.2 T.的电动机
钕磁铁功率的一个相当原始的应用是一个19 kW的电动机（图中的红色气缸），其中的2个使新型Rocketford Rocket实验室火箭发动机上的氧化剂和燃油泵旋转。从1.5 T开始的某个地方，传统的铜电磁体开始遇到困难，主要是散热问题。 将铜与水冷却管混合的需要以及不断增加的匝间电压使磁体的尺寸膨胀的速度比磁场的增长快得多。 离工作空间较远的匝对磁场的贡献相对较小，这意味着电流主要用于加热磁体，而不是在磁场上。
铜线
但是，自1930年代以来，直到现在，几乎所有普通的水冷铜磁体都取得了创纪录的固定磁场。 这些是所谓的苦味磁铁，是一块扭曲成螺旋状的铜板，具有纵向冷却通道的狡猾系统。 这些磁铁的特点是电流密度大（高达700 A / mm ^ 2），电功率为1.10甚至30兆瓦，冷却水消耗量为每秒数十百升。 第一个10 T磁体于1936年投放市场，并在随后的30年中保持了固定磁场的记录。
特斯拉25年代60年代的美国苦味磁铁。然后，对磁铁的这种设计进行了反复优化，如今，在中国CHMFL实验室中，此类磁铁的现场记录已达到38.5T。 磁功率为28.5 MW，冷却水流量为每秒500升（顺便说一句，似乎您需要向通过磁石抽出水的泵的磁功率中增加大约相同的功率）。 电流约为36000安培。 在这种情况下，记录场的直径仅为32 mm，长度约为70 mm。
中国记录的电阻磁体-螺线管螺线管（由CuAg合金制成）的一部分，一段和一组同轴线圈。如今，电阻磁体已接近材料性能的极限，并且其中的最大可用磁场主要在广泛增长-通过增加电源和冷却系统的功率，增加线圈数量。 如今，此类磁体主要用于研究通常在低温下的小样本中非常多样化的物理现象。 因此，当物理学家带来样品和设备，将其安装在磁体上并测量所需数量时，此类磁体便会在集体使用的中心工作。 对于小样本，使用间隙较小的磁体（例如20-30 mm）非常方便。
30T苦味磁铁顶部，无盖。 在这里，您可以看到研究室的开口和用于供应冷却水的插槽。但是，当今还有大磁场的另一种应用-这是
NMR成像 ，即 由于氢与强磁场中无线电波的相互作用而绘制组织密度图。 场越高，系统的空间分辨率越高。 这样的系统需要相当大的磁体工作量以及高磁场均匀性。 反过来，在超导领域的研究需要低温恒温器，很难将其安装到直径为32 mm的地方，而某些超导体领域则需要更多。
先行一步-超高场（21T），间隙110 mm的超导NMR断层扫描仪以及分辨率为26微米的所得图像示例因此，自20世纪80年代以来，混合磁体的方向出现了，其思想是将苦味磁体放置在超导磁场的内部，超磁场的总和将增加。 这样，您就可以进一步提高该领域的水平，而无需增加对电源和冷却水的需求。
杂种苦味磁体插入超导内部意味着后者必须具有400-800 mm的工作间隙，即 大大超过我们之前看到的记录。 工作量大但磁场较小的磁体来自托卡马克开发人员的强磁场实验室，该实验室在70年代后期制造了基于冷超导体锡和铌酸钛的超导磁体。 在80年代中期，LNCMI法国强磁场实验室创建了总磁场为31T的11T超导和22T苦味的混合磁体，总磁场为31T，并在2000年，美国国家MagLab推出了混合磁场装置，磁场为45T，至今仍是所有磁体中的最高记录。永久领域。
整个磁铁（左）和低温恒温器（右）的外壳
低温恒温器上混合磁体的截面。 顺便说一句，然后将用于此安装的外部超导磁体的设计用于另外三个记录磁体中。45特斯拉混合动力车使用三个外部超导磁体和4种内部电阻类型的“佛罗里达苦”。 电阻部分在74 kA的电流下消耗29兆瓦，并产生31 T的磁场。磁体的超导部分产生14 T的磁场，由NbTi的外部绕组和Nb3Sn的内部绕组组成，在4.2 K的温度下以8 kA的电流工作。超导磁体的低温恒温器-500毫米。
45T超导外部混合磁体
还有内在的苦磁铁。 因此，2.5米长的身体变成了一个32毫米的工作室。为了进行比较，我记得ITER环形磁铁的线电流为68 kA，磁场为12.8 T，间隙为9000x7000 mm，即 可以想象ITER在低温超导磁体技术方面取得了多大的进步。
顺便说一下，在实验室用磁铁中，它们使用的导体电流要低得多，绕组要绕更多匝-这简化了电源系统和导体本身。 不利的一面是当超导体突然进入正常状态时系统中的较大电压。除ITER之外，随着工业高温超导体的出现，这些技术也向前发展。 如果低温SP原则上不允许创建高于22 T的磁场，即 由于它们只能是记录磁体的一部分，因此对于HTSC，此限制扩展到至少45T。
临界电流密度对不同超导体的磁场依赖性。 顺便说一句，您是否曾经想过使用哪种设备来构建这些图表，以及为什么它们停留在45T下？如今，创造记录磁体的新方向已经完全超导，现在世界上所有领先的实验室（中国，荷兰，法国，美国）都在设计30+ T SP磁体，Maglab也领先于所有人，在32岁时就开始组装完全超导磁体。 T。这里的15 T将由来自NbTi和Nb3Sn的外部磁体产生，另外的17-将由来自YBCO磁带的两层HTSC磁体产生。 此处使用的“高温”超导体在液氦温度下具有比“低温”超导体更高的临界场。
32T全超导磁体项目这种磁铁的技术需要将近10年的发展，主要问题在于从强大的磁场到电流的转动，产生很高的磁致动力。 YBCO线圈中的机械应力达到700 MPa-顺便说一下，HTSC胶带主要由具有高强度特性的镍合金组成-铜不能承受这种应力，这非常有帮助。
高磁场HTSC磁体的研发。第二类问题与超导状态的紧急损失以及线圈电流的输出有关。 特别地，为了避免由于正常区域的缓慢传播而燃烧，在线圈中内置了加热器，当检测到过渡时，加热器会加热整个线圈，从而更均匀地释放磁场能量。
从字面上看，内部工作线圈是由HTSC胶带制成的；很快您就可以期待磁体的发射和组装。这种磁体将具有“冷”工作体积，非常适合研究固体中物质的凝聚态和量子效应，而就运行成本而言，这是一类完全不同的设备，尤其是低温恒温器，低温恒温器系统和NTSC的外部SP磁体。牛津仪器制造的系列产品。
通常，牛津仪器是最大的超导磁体供应商，主要用于3-15T领域的所有科学和实验室应用。 例如，在ITER项目中，该公司为回旋管提供6T磁体
总的来说，在介绍下一个唱片持有人之前，我想谈谈这种磁铁的几种应用，而不仅仅是为架子提供高磁场。
核磁共振谱仪是化学家的工作工具，是串行高场磁体的主要应用消耗者之一。 尤其是布鲁克，批量生产的光谱仪具有高达23.5T的光谱（顺便说一句，此类设备在从周围的人和物体遮挡这种磁场方面存在很大的问题）。
NMR光谱仪频率的历史性增长，这可以提高NMR光谱的质量。第二个用户是高分辨率NMR断层扫描仪，用于生物和神经生物学研究。 在这里，田地达到21T。 最后，具有中子源的中心的应用较少，研究磁量子现象的方法之一是研究中子在强磁场中对物质的散射，以及用于亚微分子醇温度的冰箱（需要8至20 T的磁场）。
26毫米大间隙磁体组装的视频，用于研究极化中子在柏林亥姆霍兹-曾特鲁姆峰中的散射脉冲磁铁如果我们从恒定磁场切换到脉冲磁场，将大大简化创建高磁场磁体的主要工程问题-散热片和强度-。 反过来，脉冲系统又分为可重复使用的和一次性的：)
有趣的是，脉冲磁铁领域的先驱是彼得·卡皮察（Peter Kapitsa），他在20年代在英国卡文迪许实验室从事类似的安装工作。 关闭大型旋转发电机的输出至电磁阀，他接受了高达50 T的电流，持续了几毫秒。 这种方法使得甚至在20年代就可以测量与大磁场相关的许多量，并且使用现代记录技术，人们通常可以将这种磁场称为准静态。
Kapitsa及其机器用于产生脉冲磁场。为了改进这种方法，在60年代，开发人员从旋转的机电能源切换到电容器和电压脉冲发生器，这使得在铜线圈中产生每mm ^ 2几千安培的电流密度成为可能。
结合钢基质形式的功率增强和液氮冷却（以降低电阻，从而降低所需的电压，从而促进此类磁体的隔离），2012年脉冲铜磁体在1毫秒内达到了101.2 T-今天的值是一个记录（它属于美国核武器实验室LANL和Florida MagLab的合作）。
有关达到101.2 T的记录磁场值的视频。但是，几乎看不到，实际上，磁铁设计是经过分类的，只有一般值是已知的这个值也可以通过几个嵌套线圈来实现，外部线圈给出一个长脉冲（约2秒），振幅高达45 T，内部线圈给出一个短脉冲65 T.该电路允许导体中的电压承受材料的屈服强度。
有趣的是，这种磁铁的功率达到了几吉瓦。
发电机，该发电机与磁体的外部绕组短路，以获得记录的脉冲场。不幸的是，在可重复使用的安装中，没有任何方法可以显着增加字段值。 但是，如果我们不担心安装会被破坏，那么101 T远不是极限。
这里最简单的选择是将一块铜卷成线圈，并在其上连接高压电容器。 这种方案可以同时获得300和400特斯拉，尽管在很短的时间内（微秒级）只有几立方毫米，这对于研究固体中费米表面拓扑的实验人员来说是一个相当复杂的限制。
一次性磁铁上的脉冲场。早在50年代，通过爆炸式电磁发电机的发明就发现了一种克服这些限制的绝妙方法。 在这里，10-20 T的种子磁场被压缩到2800（！）T。 这是使用金属圆柱衬套完成的，该金属衬套借助来自爆炸装药的圆柱爆炸波向其轴线塌陷。 在这种情况下，纵向磁场将增加大约100-200倍。 与以前的方案相比，在爆炸磁场发生器中可以获得稍长的磁场脉冲，而样品的体积稍大，但是这要付出更为复杂的实验设置的代价。
爆炸性电磁发电机及其电路图。追溯到1950年代，使用HMG，测量了极端磁场中材料的各种特性-电导率，极化旋转（法拉第效应），原子核磁场的压缩等。 另一个有趣的结果是，可以用这种磁场将金属物体加速到大约100 km / s的速度。
反过来，爆炸性磁场发生器的磁场极限又是非常基本的，并且与磁场压力有关，磁场压力达到数十兆巴并阻止金属衬里。 这里的3000特斯拉显然是一个渐近极限。
继而，在激光内爆装置中实现了更高的压力值（千兆字节），并且从理论上讲，这种装置能够产生成千上万甚至十万特斯拉的磁场，尽管在纳秒之内并且在微米级。 来自PB激光的聚焦激光脉冲本身具有交变磁场，其振幅甚至更大-一百万特斯拉甚至更高。 当然，产生这种场的条件（温度为数百eV-几十keV的密集等离子体）与应用科学的利益相去甚远，但它们对基础科学却非常有趣。
不同类型安装的磁场记录历史（可重复使用：）在总结磁记录时，值得回想一下关于磁星-具有高磁场的年轻中子星。 最高-最高可达1000亿特斯拉。 例如，这个数量级的磁场的能量密度为10 ^ 25 J /立方米，相当于密度比铅高10,000倍的物质的mc ^ 2。 ( , ) , .