Magnet superkonduktor

Skema magnet superkonduktor tesla 20 dengan lubang vertikal

Magnet superkonduktor adalah elektromagnet yang terbuat dari gulungan kawat superkonduktor. Mereka harus didinginkan selama penggunaannya hingga suhu kriogenik. Dalam kondisi tersebut, superkonduktor kawat tidak memiliki hambatan listrik, dan karena itu dapat melakukan arus listrik yang jauh lebih besar daripada kawat biasa, menciptakan medan magnet yang kuat. Magnet superkonduktor dapat menghasilkan medan magnet lebih besar daripada semua elektromagnet, kecuali non-superkonduktor terkuat, dan mungkin lebih murah untuk dioperasikan karena tidak ada energi yang hilang, seperti panas dalam kumparan. Mereka digunakan dalam mesin MRI di rumah sakit, dan dalam peralatan ilmiah seperti NMR spektrometer, spektrometer massa, reaktor fusi dan akselerator partikel. Mereka juga digunakan untuk levitasi, tenaga penggerak dalam sistem kereta api magnetic levitation (maglev) di Jepang.

Konstruksi

Pendinginan

Selama operasi, kumparan magnet harus didinginkan di bawah suhu kritis, suhu di mana bahan berliku berubah dari keadaan resistif normal dan menjadi superkonduktor. Dua jenis rezim pendingin umumnya digunakan untuk mempertahankan kumparan magnet pada suhu yang cukup untuk mempertahankan superkonduktivitas:

Pendingin cair

Helium cair digunakan sebagai pendingin untuk kebanyakan lilitan superkonduktif, bahkan yang dengan suhu kritis jauh di atas titik didihnya yaitu 4,2 K. Ini karena semakin rendah suhu, semakin baik lilitan superkonduktif bekerja lebih baik - semakin tinggi arus dan medan magnet yang dapat mereka tahan tanpa kembali ke kondisi non-superkonduktif mereka. Magnet dan pendingin terkandung dalam wadah yang diisolasi secara termal (termos) yang disebut kriostat. Untuk menjaga agar helium tidak mendidih, kriostat biasanya dibuat dengan jaket luar yang mengandung ([lebih murah]] nitrogen pada 77 K. Atau, pelindung termal yang terbuat dari bahan konduktif dan mempertahankan dalam suhu kirsaran 40 K-60 K, yang didinginkan oleh koneksi konduktif ke kepala pendingin, ditempatkan di sekitar bejana yang diisi helium untuk menjaga masukkan panas ke yang terakhir pada tingkat yang dapat diterima. Salah satu tujuan pencarian superkonduktor suhu tinggi adalah untuk membangun magnet yang dapat didinginkan hanya dengan nitrogen cair. Pada suhu di atas sekitar 20 K pendinginan dapat dicapai tanpa mendidihkan cairan kriogenik.

Pendinginan mekanis

Karena meningkatnya biaya dan berkurangnya ketersediaan helium cair, banyak sistem superkonduktor didinginkan menggunakan pendinginan mekanis dua tahap. Secara umum dua jenis cryocooler mekanik digunakan yang memiliki daya pendinginan yang cukup untuk menjaga magnet di bawah suhu kritis mereka. The Gifford-McMahon Cryocooler telah tersedia secara komersial sejak 1960-an dan telah menemukan aplikasi luas. Siklus regenerator G-M dalam cryocooler beroperasi menggunakan pemindah tipe piston dan penukar panas. Atau, 1999 menandai aplikasi komersial pertama menggunakan cryocooler tabung denyut. Desain cryocooler ini menjadi semakin umum karena getaran rendah dan interval servis yang panjang karena desain tabung denyut menggunakan proses akustik sebagai pengganti perpindahan mekanis. Biasanya untuk lemari es dua tahap, tahap pertama akan menawarkan kapasitas pendinginan yang lebih tinggi tetapi pada suhu yang lebih tinggi ≈77 K dengan tahap kedua berada di .24.2 K dan daya pendinginan <2,0 Watt. Dalam penggunaan, tahap pertama digunakan terutama untuk pendinginan tambahan dari kriostat dengan tahap kedua digunakan terutama untuk mendinginkan magnet.

Material

Medan magnet maksimal yang dapat dicapai dalam magnet superkonduktor dibatasi oleh medan di mana materi kumparan tidak lagi menjadi superkonduktor, "medan kritis" -nya, H_c, yang untuk superkonduktor type- II adalah medan kritis kuatnya. Faktor pembatas lainnya adalah "arus kritis", I_c, di mana bahan kumparan juga tidak lagi superkonduktor. Kemajuan dalam magnet telah difokuskan pada pembuatan bahan berliku yang lebih baik.

Bagian superkonduktor dari kebanyakan magnet saat ini terdiri dari niobium-titanium. Bahan ini memiliki suhu kritis dari 10 kelvin dan mendapat superkonduktor hingga sekitar 15 tesla. magnet lebih mahal dapat dibuat dari niobium-timah (Nb₃Sn). Ini memiliki T_c dari 18 K. Ketika beroperasi pada 4.2 K mereka dapat menahan intensitas medan magnet yang jauh lebih tinggi, hingga 25 hingga 30 tesla. Sayangnya, jauh lebih sulit untuk membuat filamen yang diperlukan dari bahan ini. Inilah sebabnya mengapa kadang-kadang kombinasi Nb₃ Sn untuk bagian medan kuat dan NbTi untuk bagian medan lemah digunakan. Vanadium-gallium adalah bahan lain yang digunakan untuk sisipan medan kuat.

Superkonduktor suhu-tinggi (mis. BSCCO atau YBCO) dapat digunakan untuk menyisipkan medan kuat ketika medan magnet yang diperlukan lebih tinggi daripada Nb₃ yang dapat dikelola oleh Sn. BSCCO, YBCO atau magnesium diboride juga dapat digunakan untuk sadapan arus, mengalirkan arus tinggi dari suhu kamar ke magnet dingin tanpa disertai kebocoran panas besar dari sadapan resistif.

Gulungan koil

Gulungan koil dari superkonduktor magnet terbuat dari kabel atau kaset superkonduktor Tipe II (mis. Niobium-titanium atau niobium-timah). Kawat atau pita itu sendiri dapat dibuat dari filamen kecil (tebal sekitar 20 mikrometer) dari superkonduktor dalam matriks tembaga. Tembaga diperlukan untuk menambah stabilitas mekanis, dan untuk menyediakan jalur resistansi rendah untuk arus besar jika suhu naik di atas T _c atau arus naik di atas I_c dan superkonduktivitas hilang. Filamen harus kecil karena dalam jenis superkonduktor arus hanya mengalir kulit-dalam. (Lihat Efek kulit) Koil harus dirancang dengan hati-hati untuk menahan (atau menangkal) tekanan magnet dan gaya Lorentz yang dapat menyebabkan patahnya kawat atau hancurnya isolasi antara belokan yang berdekatan.

Operasional

7 T magnet superkonduktor lubang horisontal, bagian dari spektrometer massa. Magnet itu sendiri ada di dalam kriostat silinder.

Catu daya

Arus ke gulungan koil disediakan oleh arus tinggi, tegangan sangat rendah catu daya DC, karena dalam kondisi baik, satu-satunya tegangan melintasi magnet adalah karena hambatan kabel pengumpan . Setiap perubahan arus melalui magnet harus dilakukan dengan sangat lambat, pertama karena magnet secara elektrik adalah induktor besar dan perubahan arus yang tiba-tiba akan menghasilkan lonjakan tegangan besar di kumparan, dan yang lebih penting karena perubahan cepat pada arus dapat menyebabkan arus eddy dan tekanan mekanis pada kumparan yang dapat mengendapkan pendinginan (lihat di bawah). Jadi catu daya biasanya dikendalikan oleh mikroprosesor, diprogram untuk mencapai perubahan saat ini secara bertahap, dalam jalur landai. Biasanya diperlukan beberapa menit untuk memberi energi atau menghilangkan energi magnet berukuran laboratorium.

Mode persisten

Mode operasi alternatif yang digunakan oleh kebanyakan magnet superkonduktor adalah korsleting kumparan dengan sepotong superkonduktor begitu magnet telah diberi energi. Gulungan menjadi loop superkonduktor tertutup, catu daya dapat dimatikan, dan arus persisten akan mengalir selama berbulan-bulan, menjaga medan magnet. Keuntungan dari mode persisten ini adalah bahwa stabilitas medan magnet lebih baik daripada yang dapat dicapai dengan pasokan daya terbaik, dan tidak ada energi yang diperlukan untuk menyalakan kumparan. Hubung singkat dibuat oleh 'saklar persisten', sepotong superkonduktor di dalam magnet yang terhubung di ujung yang berliku, terpasang pada pemanas kecil. Ketika magnet pertama kali dihidupkan, kawat sakelar dipanaskan di atas suhu transisinya, sehingga resistif. Karena kumparan itu sendiri tidak memiliki hambatan, tidak ada arus yang mengalir melalui kawat sakelar. Untuk beralih ke mode persisten, arus suplai disesuaikan hingga medan magnet yang diinginkan diperoleh, kemudian pemanas dimatikan. Saklar yang persisten mendingin ke suhu superkonduktornya, membuat hubungan pendek pada kumparan. Maka catu daya bisa dimatikan. Arus kumparan, dan medan magnet, tidak akan benar-benar bertahan selamanya, tetapi akan membusuk secara perlahan sesuai dengan konstanta waktu induktif (L / R) yang normal:

$H(t)=H_{0}e^{-(R/L)t}\,$

dimana $R\,$ adalah resistansi residual kecil dalam kumparan superkonduktor karena sambungan atau fenomena yang disebut resistensi gerakan fluks. Hampir semua magnet superkonduktor komersial dilengkapi dengan sakelar persisten.

Pemadaman Magnet

Pemadaman adalah penghentian operasi magnet yang tidak normal yang terjadi ketika bagian dari koil superkonduktor memasuki keadaan normal (resistif)). Ini dapat terjadi karena medan di dalam magnet terlalu besar, laju perubahan medan terlalu besar (menyebabkan arus eddy dan resultan pemanasan dalam matriks dukungan tembaga), atau kombinasi keduanya. Lebih jarang, cacat pada magnet dapat menyebabkan pendinginan. Ketika ini terjadi, tempat tertentu itu mengalami pemanasan Joule yang cepat dari arus besar, yang meningkatkan suhu dari daerah sekitarnya. Ini mendorong daerah-daerah tersebut ke keadaan normal juga, yang menyebabkan lebih banyak pemanasan dalam reaksi berantai. Seluruh magnet dengan cepat menjadi normal (ini bisa memakan waktu beberapa detik, tergantung pada ukuran kumparan superkonduktor). Ini disertai dengan dentuman keras ketika energi di medan magnet diubah menjadi panas, dan mendidih dengan cepat dari cairan kriogenik. Penurunan arus yang drastis dapat menyebabkan lonjakan dan lonjakan tegangan induktif kilovolt. Kerusakan permanen pada magnet jarang terjadi, tetapi komponen dapat rusak oleh pemanasan lokal, tegangan tinggi, atau gaya mekanis besar. Dalam praktiknya, magnet biasanya memiliki alat pengaman untuk menghentikan atau membatasi arus ketika permulaan pendinginan terdeteksi. Jika sebuah magnet besar mengalami pendinginan, uap lembam yang dibentuk oleh cairan kriogenik yang menguap dapat menimbulkan bahaya sesak napas yang signifikan bagi operator dengan memindahkan udara yang bisa bernapas.

Sebagian besar magnet superkonduktor di CERN Large Hadron Collider tiba-tiba padam selama operasi awal tahun 2008, mengharuskan penggantian sejumlah magnet. Untuk mengurangi dampak pendinginan yang berpotensi merusak, magnet superkonduktor dilengkapi dengan pemanas cepat-ramping yang diaktifkan begitu sistem perlindungan pendinginan terdeteksi. Karena magnet dipol lentur dihubungkan secara seri, setiap sirkuit daya mencakup 154 magnet individu, dan harus digabung, seluruh energi yang tersimpan dari magnet ini harus dibuang sekaligus. Energi ini ditransfer ke dalam timbunan yang merupakan balok logam besar yang dipanaskan hingga beberapa ratus derajat Celcius karena pemanasan resistif dalam hitungan detik. Meskipun tidak diinginkan, pemadam magnet adalah "peristiwa yang cukup rutin" dari akselerator partikel.

Magnet "pelatihan"

Dalam kasus-kasus tertentu, magnet superkonduktor yang dirancang untuk arus sangat tinggi memerlukan lapisan yang luas, untuk memungkinkan magnet berfungsi pada arus dan medan penuh yang direncanakan. Ini dikenal sebagai "melatih" magnet, dan melibatkan jenis efek memori material. Satu situasi yang diperlukan ini adalah dalam kasus penumbuk partikel seperti Large Hadron Collider. Magnet LHC direncanakan berjalan pada 8 TeV (2 × 4 TeV) pada putaran pertama dan 14 TeV (2 × 7 TeV) pada putaran kedua, tetapi pada awalnya dioperasikan dengan energi yang lebih rendah yaitu 3,5 TeV dan 6,5 TeV per balok masing-masing. Karena awal cacat kristalografi dalam materi, mereka pada awalnya akan kehilangan kemampuan superkonduktor mereka ("pendinginan") pada tingkat yang lebih rendah daripada desain saat ini. CERN menyatakan bahwa ini disebabkan oleh gaya elektromagnetik yang menyebabkan gerakan kecil di magnet, yang pada gilirannya menyebabkan superkonduktivitas hilang ketika beroperasi pada prasyarat tinggi yang diperlukan untuk arus yang direncanakan saat ini. Dengan berulang kali menjalankan magnet pada arus yang lebih rendah dan kemudian sedikit meningkatkan arus hingga padam di bawah kendali, magnet secara bertahap akan mendapatkan kemampuan yang diperlukan untuk menahan arus yang lebih tinggi dari spesifikasi desainnya tanpa terjadi pendinginan, dan memiliki masalah seperti itu "terguncang" keluar, sampai mereka akhirnya dapat beroperasi dengan andal pada rencana penuh saat ini tanpa mengalami pendinginan.

Sejarah

Meskipun gagasan membuat elektromagnet dengan kawat super diusulkan oleh Heike Kamerlingh Onnes tak lama setelah ia menemukan superkonduktivitas pada tahun 1911, elektromagnet superkonduktor praktis harus menunggu penemuan bahan superkonduktor yang dapat mendukung kepadatan arus super kritis di medan magnet tinggi. . Magnet superkonduktor pertama yang berhasil dibangun oleh G.B. Yntema pada tahun 1955 menggunakan kawat niobium dan mencapai medan 0,7 T pada 4,2 K. Kemudian, pada tahun 1961, J.E. Kunzler, E. Buehler, F.S.L. Hsu, dan J.H. Wernick membuat penemuan bahwa senyawa niobium dan timah dapat mendukung kepadatan arus super kritis lebih dari 100.000 ampere per sentimeter persegi dalam medan magnet 8,8 tesla. Meskipun sifatnya rapuh, niobium-timah telah terbukti sangat berguna dalam supermagnet yang menghasilkan medan magnet hingga 20 tesla.

Pengganti yang lebih kuat ditemukan pada tahun 1960 oleh Dwight Adams ketika menjadi rekanan postdoctoral di Universitas Stanford. Pengganti kedua dibangun di University of Florida oleh M.S. mahasiswa R.D. Lichti pada tahun 1963. Itu telah disimpan dalam sebuah karya di Gedung Fisika UF.

Pada tahun 1962, T.G. Berlincourt dan R. Hake menemukan sifat high-critical-magnetic-field, high-critical-supercurrent-density campuran niobium-titanium. Meskipun paduan niobium-titanium memiliki sifat superkonduktor yang kurang spektakuler dibandingkan dengan niobium-timah, mereka sangat kuat, mudah dibuat, dan ekonomis. Berguna dalam supermagnet yang menghasilkan medan magnet hingga 10 tesla, paduan niobium-titanium adalah bahan supermagnet yang paling banyak digunakan.

Pada tahun 1986, penemuan superkonduktor suhu tinggi oleh Georg Bednorz dan Karl Müller memberi energi pada medan, meningkatkan kemungkinan mendapat magnet yang didinginkan oleh nitrogen cair karena semakin sulit untuk bekerja dengan helium.

Pada 2007, sebuah kumparan magnet YBCO mencapai rekor dunia dengan 26,8 tesla . Dewan Riset Nasional AS memiliki tujuan untuk menciptakan magnet superkonduktor 30 tesla.

Pada tahun 2017, magnet YBCO yang dibuat oleh National High Magnetic Field Laboratory memecahkan rekor dunia sebelumnya dengan kekuatan 32 T. Mereka memegang rekor saat ini pada Maret 2018.

Penggunaan

Sebuah mesin MRI yang menggunakan magnet superkonduktor. Magnet ada di dalam rumah berbentuk donat, dan dapat membuat 3 medan tesla di dalam lubang pusat.

Magnet superkonduktor memiliki sejumlah keunggulan dibandingkan elektromagnet resistif. Mereka dapat menghasilkan medan magnet yang hingga sepuluh kali lebih kuat dari yang dihasilkan oleh inti ferromagnetik elektromagnet, yang terbatas pada medan sekitar 2 T. Medan ini umumnya lebih stabil, menghasilkan pengukuran yang lebih tidak berisik. Mereka bisa lebih kecil, dan area di pusat magnet tempat medan dibuat lebih kosong daripada ditempati oleh inti besi. Yang paling penting, untuk magnet besar mereka dapat mengkonsumsi daya jauh lebih sedikit. Dalam kondisi persisten (di atas), satu-satunya daya yang dikonsumsi magnet adalah yang diperlukan untuk setiap peralatan pendingin untuk menjaga suhu kriogenik. Namun, medan yang lebih tinggi dapat dicapai dengan elektromagnet resistif khusus yang didinginkan, karena kumparan superkonduktor akan memasuki keadaan normal (non-superkonduktor) (lihat pendinginan, di atas) di medan kuat. Medan magnet lebih dari 40 T sekarang dapat dicapai oleh banyak lembaga di seluruh dunia biasanya dengan menggabungkan elektromagnet dengan magnet superkonduktor (sering sebagai masukkan).

Magnet superkonduktor banyak digunakan dalam mesin MRI, peralatan NMR, spektrometer massa, proses pemisahan magnetik, dan akselerator partikel.

Di Jepang, setelah beberapa dekade penelitian dan pengembangan ke superkonduktor maglev oleh Kereta Api Nasional Jepang dan kemudian Perusahaan Kereta Api Jepang Pusat (JR Central), pemerintah Jepang memberikan izin kepada JR Central untuk membangun Chūō Shinkansen, menghubungkan Tokyo ke Nagoya dan kemudian ke Osaka.

Salah satu penggunaan SC magnet yang paling menantang adalah dalam LHC pemercepat partikel. Magnet niobium-titanium (Nb-Ti) beroperasi pada 1,9 K untuk memungkinkan mereka berjalan dengan aman pada 8,3 T. Setiap magnet menyimpan 7 MJ. Total magnet menyimpan 104 gigajoule (25 ton TNT). Sekali atau dua kali sehari, ketika proton dipercepat dari 450 GeV ke 7 TeV, medan magnet lentur superkonduktor akan meningkat dari 0,54 T menjadi 8,3 T.

Magnet superkonduktor medan solenoida pusat dan toroidal yang dirancang untuk ITER menggunakan reaktor fusi niobium-tin (Nb ₃ Sn) sebagai superkonduktor. Kumparan Solenoid Tengah akan membawa 46 kA dan menghasilkan medan 13,5 teslas. 18 kumparan Medan Toroidal pada medan maksimum 11,8 T akan menyimpan 41 GJ (total?). Mereka telah diuji pada rekor 80 kA. Magnet ITER medan lemah lainnya (PF dan CC) akan menggunakan niobium-titanium. Sebagian besar magnet ITER akan memiliki medan mereka beragam berkali-kali per jam.

Satu resolusi tinggi spektrometer massa direncanakan untuk menggunakan magnet 21 Tesla SC.

Secara global pada tahun 2014, sekitar lima miliar euro aktivitas ekonomi dihasilkan dari mana superkonduktivitas sangat diperlukan. Sistem MRI, yang sebagian besar menggunakan niobium-titanium, menyumbang sekitar 80% dari total itu.

Lihat pula

• Pembatas kesalahan arus
• Memompa fluks

Bacaan lanjutan

• Martin N. Wilson, Superconducting Magnets (Monographs on Cryogenics), Oxford University Press, New edition (1987), ISBN 978-0-19-854810-2.
• Yukikazu Iwasa, Case Studies in Superconducting Magnets: Design and Operational Issues (Selected Topics in Superconductivity), Kluwer Academic / Plenum Publishers, (October 1994), ISBN 978-0-306-44881-2.
• Habibo Brechna, Superconducting magnet systems, New York, Springer-Verlag New York, Inc., 1973, ISBN 3-540-06103-7, ISBN 0-387-06103-7

Pranala luar

• Making Superconducting Magnets From the National High Magnetic Field Laboratory
• 1986 evaluation of NbTi and Nb3Sn for particle accelerator magnets.