(Cel mai puternic electromagnet din lume, magnetul 45 T hibrid supraconductor hibrid de la US National High Magnetic Field Laboratory, Tallahassee, Florida, SUA. )
Atunci când este necesar un câmp magnetic mai mare decât limita feromagnetică de 1,6 T, pot fi utilizați electromagneți supraconductori. În loc să utilizeze materiale feromagnetice, aceștia utilizează înfășurări supraconductoare răcite cu heliu lichid, care conduc curent fără rezistență electrică. Acestea permit fluxuri de curenți enormi, care generează câmpuri magnetice intense. Magneții supraconductori sunt limitați de intensitatea câmpului la care materialul de înfășurare nu mai este supraconductor. Proiectele actuale sunt limitate la 10-20 T, cu înregistrarea actuală (2009) de 33,8 T. Echipamentele de refrigerare necesare și criostat le fac mult mai scumpe decât electromagneții obișnuiți. Cu toate acestea, în cazul aplicațiilor de mare putere, acest lucru poate fi compensat de costurile de funcționare mai mici, deoarece după pornire nu este necesară nicio putere pentru înfășurări, deoarece nu se pierde energie prin încălzirea ohmică. Ele sunt utilizate în în echipamente științifice cum ar fi spectrometre RMN, spectrometre de masă, reactoare de fuziune și acceleratoare de particule, și aparatura de imagistică prin rezonanță magnetică (MRI).
(Schema unui magnet supraconductor de 20 tesla cu gaura verticală)
Construcție
Răcire
În timpul funcționării, înfășurările magnetului trebuie răcite sub temperatura critică, temperatura la care materialul de înfășurare se schimbă de la starea rezistivă normală și devine un supraconductor. Două tipuri de regimuri de răcire sunt utilizate în mod obișnuit pentru a menține înfășurările magnetului la temperaturi suficiente pentru a menține supraconductivitatea:
Răcire cu lichid
Heliu lichid este utilizat ca lichid de răcire pentru majoritatea înfășurărilor supraconductoare, chiar și pentru cele cu temperaturi critice cu mult peste punctul de fierbere de 4,2 K. Acest lucru se datorează faptului că cu cât temperatura este mai scăzută, cu atât funcționează mai bine bobina supraconductoare superioară – cu atât sunt mai mari curenții și câmpurile magnetice fără a se reîntoarce la starea lor non-supraconductivă. Magnetul și lichidul de răcire sunt conținute într-un recipient termoizolat (dewar) numit criostat. Pentru a menține heliul la fierbere, criostatul este de obicei construit cu un înveliș exterior care conține azot lichid (în mod semnificativ mai ieftin) la 77 K. Alternativ, un scut termic realizat din material conductiv și menținut în intervalul de temperatură de 40-60 K, răcit de conexiunile conductive la capul rece al criorăcitorului, este plasat în jurul vasului încărcat cu heliu pentru a menține intrarea caldă la acesta din urmă la un nivel acceptabil. Unul dintre scopurile supraconductorilor de temperatură înaltă este de a construi magneți care pot fi răciți numai cu azot lichid. La temperaturi de peste 20 K răcirea poate fi obținută fără fierberea lichidelor criogenice.
Răcirea mecanică
Datorită creșterii costurilor și scăderii disponibilității heliului lichid, multe sisteme supraconductoare sunt răcite utilizând o fază mecanică de refrigerare în două trepte. În general, se folosesc două tipuri de criorăcitoare mecanice care au o putere de răcire suficientă pentru a menține magneții sub temperatura lor critică. Criorăcitorul Gifford-McMahon a fost disponibil comercial încă din anii 1960 și a găsit o aplicare pe scară largă. Ciclul de regenerare G-M dintr-un dispozitiv de răcire funcționează folosind un dispozitiv de deplasare cu piston și un schimbător de căldură. Alternativ, 1999 a marcat prima aplicație comercială utilizând un criorăcitor cu tub pulsator. Acest proiect de criorăcitor a devenit din ce în ce mai comun datorită vibrațiilor scăzute și intervalelor lungi de serviciu, deoarece modelele de tuburi de pulsare utilizează un proces acustic în locul deplasării mecanice. La răcitoarele tipice în două etape, prima etapă va oferi o capacitate mai mare de răcire, dar la o temperatură mai ridicată de ~ 77 K, iar a doua etapă cu o putere de răcire de ~ 4,2 K și < 2,0 W. În timpul utilizării, prima etapă este folosită în primul rând pentru răcirea auxiliară a criostatului, a doua etapă fiind utilizată în principal pentru răcirea magnetului.
Materiale
Câmpul magnetic maxim realizabil într-un magnet supraconductor este limitat de câmpul în care materialul de înfășurare încetează să mai fie supraconductor, „câmpul critic” Hc, care pentru supraconductorii de tip II este domeniul său critic superior. Un alt factor limitator este „curentul critic”, Ic, la care materialul de înfășurare încetează, de asemenea, să mai fie supraconductor. Progresele în magneți s-au concentrat asupra creării unor materiale de înfășurare mai bune.
Porțiunile supraconductoare ale celor mai mulți magneți curenți sunt compuse din niobiu-titan. Acest material are o temperatură critică de 10 kelvin și poate supraviețui până la aproximativ 15 teste. Magneții mai scumpi pot fi fabricați din niobiu-staniu (Nb3Sn). Acestea au o Tc de 18 K. Când funcționează la 4,2 K ele sunt capabile să reziste la o intensitate a câmpului magnetic mult mai mare, până la 25-30 tesla. Din păcate, este mult mai dificil să se facă filamentele necesare din acest material. Acesta este motivul pentru care uneori este utilizată o combinație de Nb3Sn pentru secțiunile de câmp înalt și NbTi pentru secțiunile de câmp inferior. Vanadiu-galiu este un alt material utilizat pentru inserțiile de câmp înalt.
Supraconductorii de temperatură superioară (de exemplu, BSCCO sau YBCO) pot fi utilizați pentru inserții în câmpuri înalte atunci când câmpurile magnetice necesare sunt mai mari decât cele care pot fi gestionate de Nb3Sn. BSCCO, YBCO sau diborura de magneziu pot fi de asemenea utilizate pentru conductorii curenți, de la temperatura camerei până la magnetul rece fără o scurgere mare de căldură din conductorii rezistivi.
Înfășurările de bobinaj
Înfășurările bobinelor unui magnet supraconductor sunt realizate din fire sau benzi de supraconductoare de tip II (de exemplu, niobiu-titan sau niobiu-staniu). Sârma sau banda în sine poate fi făcută din filamente mici (aproximativ 20 micrometri grosime) de supraconductor într-o matrice de cupru. Cuprul este necesar pentru a adăuga o stabilitate mecanică și pentru a asigura o cale de rezistență scăzută pentru curenții mari în cazul în care temperatura crește peste Tc sau curentul crește peste Ic, iar supraconductivitatea este pierdută. Aceste filamente trebuie să fie atât de mici, deoarece în acest tip de supraconductor curentul curge doar în adâncul suprafeței. Bobina trebuie proiectată cu grijă pentru a rezista (sau a contracara) presiunea magnetică și forțele Lorentz care ar putea provoca rupturi ale firelor sau sfărâmarea izolației între îmbinările adiacente.
Operare
(Magnet supraconductor cu gaură orizontală 7T, parte dintr-un spectrometru de masă. Magnetul în sine este în interiorul criostatului cilindric. )
Alimentarea electrică
Curentul la înfășurările bobinei este asigurat de o sursă de curent continuu de tensiune foarte joasă, deoarece, în starea de echilibru, singura tensiune pe magnet se datorează rezistenței firelor de alimentare. Orice schimbare a curentului prin magnet trebuie făcută foarte lent, mai întâi pentru că magnetul electric este un inductor mare și o schimbare bruscă a curentului va duce la un vârf de tensiune mare peste înfășurări și, mai important, pentru că modificările rapide ale curentului pot provoca curenți turbionari și solicitări mecanice în bobinaje care pot precipita o răcire. Deci, alimentarea cu energie electrică este de regulă controlată de microprocesoare, programată pentru a realiza treptat modificările curente, în rampe blânde. De obicei, durează câteva minute pentru a energiza sau a de-energiza un magnet de laborator.
Modul persistent
Un mod de operare alternativ utilizat de majoritatea magneților supraconductori este scurtcircuitarea înfășurărilor cu o piesă de supraconductor, odată ce magnetul a fost alimentat. Înfășurările devin o buclă supraconductivă închisă, alimentarea cu energie electrică poate fi oprită, iar curenții persistenți vor curge luni de zile, păstrând câmpul magnetic. Avantajul acestui mod persistent este că stabilitatea câmpului magnetic este mai bună decât cea realizabilă cu cele mai bune surse de alimentare și că nu este necesară nicio energie pentru alimentarea înfășurărilor. Scurtcircuitul este realizat de un „comutator persistent”, o piesă de supraconductor în interiorul magnetului conectat peste capetele de înfășurare, atașat la un încălzitor mic. Atunci când magnetul este pornit pentru prima oară, firul de comutare este încălzit peste temperatura de tranziție, deci este rezistiv. Deoarece înfășurarea însăși nu are rezistență, nici un curent nu curge prin firul de comutare. Pentru a trece la modul persistent, curentul de alimentare este ajustat până când se obține câmpul magnetic dorit, apoi încălzitorul este oprit. Comutatorul persistent se răcește la temperatura supraconductoare, scurtcircuitând înfășurările. Apoi sursa de alimentare poate fi oprită. Curentul de înfășurare și câmpul magnetic nu vor persista pentru totdeauna, ci vor scade încet conform unei constante de timp inductive (L/R):
H(t) = H0e-(R/L)t
unde R este o rezistență reziduală mică în înfășurările supraconductoare datorită îmbinărilor sau un fenomen numit rezistență la mișcarea fluxului. Aproape toți magneții supraconductori comerciali sunt echipați cu întrerupătoare persistente.
Utilizări
(Un aparat RMN care utilizează un magnet supraconductor. Magnetul se află în interiorul carcasei în formă de gogoașă și poate crea un câmp de 3 tesla în interiorul găurii centrale. )
Magneții supraconductori au un număr de avantaje față de electromagneții rezistivi. Aceștia pot genera câmpuri magnetice de până la zece ori mai puternice decât cele generate de electromagneții obișnuiți cu miez feromagnetic, care se limitează la câmpuri de aproximativ 2 T. Câmpul este în general mai stabil, ducând la măsurători mai puțin fluctuante. Ei pot fi mai mici, iar zona din centrul magnetului în care este creat câmpul este mai degrabă goală decât ocupată de un miez de fier. Cel mai important, pentru magneții mari, aceștia pot consuma mult mai puțină putere. În starea persistentă, singura putere consumată de magnet este cea necesară pentru orice echipament frigorific pentru păstrarea temperaturii criogenice. Câmpurile superioare, cu toate acestea, pot fi obținute cu electromagneți rezistivi răciți speciali, deoarece bobinele supraconductoare vor intra în starea normală (non-supraconductoare) la câmpurile înalte. Câmpurile stabile de peste 40 T pot fi acum realizate de multe instituții din întreaga lume, de obicei prin combinarea unui electromagnet Bitter cu un magnet supraconductor (adesea ca o inserție).
Magneții supraconductori sunt folosiți pe scară largă în mașinile MRI, echipamentele RMN, spectrometrele de masă, procesele de separare magnetică și acceleratoarele de particule.
Una dintre cele mai provocatoare utilizări ale magneților SC este acceleratorul de particule LHC. Magneții niobiu-titan (Nb-Ti) funcționează la 1,9 K pentru a le permite să funcționeze în siguranță la 8,3 T. Fiecare magnet stochează 7 MJ. În total, magneții stochează 10,4 gigajoule (2,5 tone TNT). O dată sau de două ori pe zi, deoarece protonii sunt accelerați de la 450 GeV la 7 TeV, câmpul magneților supraconductori de curbare va fi crescut de la 0,54 T la 8,3 T.
Magneții supraconductori ai solenoidului central și câmpul toroidal conceput pentru reactorul de fuziune ITER utilizează niobiu-staniu (Nb3Sn) drept supraconductor. Bobina solenoidală centrală va transporta 46 kA și va produce un câmp de 13,5 tesla. Cele 18 bobine toroidale de cîmp la câmpul maxim de 11,8 T vor stoca 41 GJ. Au fost testate la un maxim de 80 kA. Alți magneți ITER de câmp mai mic (PF și CC) vor folosi niobiu-titan. Majoritatea magneților ITER vor avea câmpul lor variat de mai multe ori pe oră.
Un spectrometru de masă de înaltă rezoluție este planificat să utilizeze un magnet de 21 Tesla SC.
La nivel mondial, în 2014, a rezultat o activitate economică de aproximativ cinci miliarde de euro, din care supraconductivitatea este indispensabilă. Sistemele RMN, dintre care majoritatea folosesc niobiu-titan, au reprezentat aproximativ 80% din acest total.
Lasă un răspuns