Instrumentierung und Messung

Superstarke Magnete sind ein relativ neues Phänomen. Vor dem 19. Jahrhundert waren die einzigen verfügbaren Magnete natürlich vorkommende Gesteine, die aus einem Mineral namens Magnetit hergestellt wurden. Dies begann sich nach 1819 zu ändern, als der dänische Wissenschaftler Hans Christian Ørsted entdeckte, dass elektrische Ströme in Metalldrähten Magnetfelder erzeugen, aber der wirkliche Sprung in der Magnetstärke kam erst fast ein Jahrhundert später, mit der Entdeckung der Supraleitung. Supraleiter leiten Elektrizität mit perfektem Wirkungsgrad, was ein enormer Vorteil für die Herstellung starker Magnete ist: Die leistungsstärksten heute kommerziell erhältlichen supraleitenden Magnete können ein stabiles Feld von bis zu 23 T erzeugen, was mehr als 2000 Mal stärker ist als der Magnet an Ihrem Kühlschrank.

Im Dezember 2017 führten Verbesserungen in der Niedertemperatur-Supraleiter (LTS)-Magnettechnologie zusammen mit Fortschritten bei hochtemperatursupraleitenden (HTS)-Materialien zu einer weiteren Veränderung in der Magnetentwicklung. Die erfolgreiche Demonstration eines vollständig supraleitenden 32-T-Magneten durch das National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) in Florida, USA, war ein bedeutender Meilenstein auf diesem Gebiet. Der neue Supermagnet wird den Nutzern voraussichtlich 2019 zur Verfügung stehen. Sein hohes, stabiles Feld wird den Wissenschaftlern unter anderem bei Studien zur kernmagnetischen Resonanz, zur elektronenmagnetischen Resonanz, zu molekularen Festkörpern und zu Quantenoszillationsstudien an komplexen Metallen helfen, neue Wege zu beschreiten. Längerfristig wird erwartet, dass die breitere Verfügbarkeit solch starker Magnetfelder auch unser Verständnis von Supraleitern und Nanomaterialien verbessern wird, was zu neuen Nano-Geräten und Anwendungen führen wird.

Es gibt jedoch einige Herausforderungen, die mit dem Design und der Herstellung von Magneten verbunden sind, die Felder von > 25 T erzeugen können. Die Menge an gespeicherter Energie in solchen Systemen ist riesig, und das Management der elektromagnetischen Kräfte und Spannungen, die sowohl mit der Erregung des Magneten als auch mit dem Aufwärmen und „Quenchen“ (wie der Übergang von supraleitendem zu widerstandsbehaftetem Verhalten genannt wird) verbunden sind, ist keine leichte Aufgabe. Die Herstellung von hochwertigen, gleichmäßigen LTS- und HTS-Drähten und -Bändern als Meterware (und sogar als Kilometerware) ist ebenfalls schwierig. Der Erfolg des 32-Tonnen-Designs kam nicht über Nacht, sondern war das Ergebnis intensiver Entwicklungsarbeit über fast ein Jahrzehnt.

Den richtigen Supraleiter finden

Ein supraleitender Magnet von ≥25 T besteht typischerweise aus einem Außenmagneten (oder „Outsert“) aus LTS-Materialien und einem Insert, der HTS-Materialien verwendet. Im 32 T NHMFL-Magneten besteht der Outsert-Abschnitt aus drei Spulen aus Niob-Zinn (Nb3Sn) und zwei Spulen aus Niob-Titan (NbTi), die alle von Bruker-Oxford Superconducting Technology geliefert wurden. Zusammen liefern diese Spulen ein Feld von 15 T über einen 250 mm breiten Magneten. Die Insert-Sektion liefert 17 T in einer 34 mm kalten Bohrung, die von NHMFL unter Verwendung fortschrittlicher HTS-supraleitender Bänder der Firma Superpower Inc. entwickelt wurde. Die beiden Abschnitte wurden von einem Team von Wissenschaftlern am NHMFL integriert, unterstützt von einem Team meiner Firma, Oxford Instruments Nanoscience, das auch den Außenmagneten und das kryogene System entwickelt hat.

Das Zwei-Komponenten-Design von Hochfeldmagneten ist notwendig, weil reine LTS-Magnete aufgrund der physikalischen Grenzen der LTS-Materialien kein Feld erzeugen können, das weit über 21 T bei 4,2 K (oder 23 T bei 2,2 K) hinausgeht. NbTi zum Beispiel wurde in den 1970er Jahren entwickelt und ist seitdem das „Arbeitspferd“ der supraleitenden Magnete. Allerdings kann das NbTi-Material nur bei Feldern von bis zu 10 T bei 4,2 K (und nicht mehr als 11,7 T bei 2,2 K) als Supraleiter für Magnete mit engen Bohrungen von weniger als 60 mm funktionieren. Bei Magneten mit größeren Bohrungen ist das maximale Feld sogar noch geringer, was die Eignung des Materials für Hochfeldmagnete einschränkt. Spulen aus Nb3Sn-Material können bei bis zu 23 T bei 2,2 K supraleitend bleiben, viel höher als es für NbTi möglich ist, aber sie müssen auch eine sehr feine filamentartige Struktur haben, um ein Phänomen zu verhindern, das als Flussspringen bekannt ist, das Energie im Supraleiter dissipiert und die Spule vorzeitig zum Erlöschen bringen kann. Daher müssen bei der Herstellung von Nb3Sn-Drähten strenge Qualitätskontrollen durchgeführt werden, um eine stabile Leistung bei hohen Feldern zu gewährleisten.

HTS-Materialien hingegen können bereits bei 4,2 K signifikante Ströme führen und bleiben weit über die Magnetfeldgrenzen von Niob-basierten Drähten hinaus supraleitend, wobei sie eine gute Leistung in Feldern von bis zu 45 T zeigen (die von Magneten erzeugt werden können, die sowohl resistive als auch supraleitende Spulen enthalten). Diese Materialien bringen jedoch zusätzliche Herausforderungen in Bezug auf Kosten, Zuverlässigkeit und Akzeptanz in der Anwendergemeinschaft mit sich. Die erste Generation von HTS-Drähten wurde aus einem kupferbasierten Supraleiter, Bismut-Strontium-Kalzium-Kupfer-Oxid (Bi-2212), hergestellt. Dieses Material zeigt unabhängig von der Ausrichtung des Magnetfelds eine gleichbleibende Leistung, aber für seine Herstellung muss das Material einer sehr präzisen Wärmebehandlung in Sauerstoff unterzogen werden, nach der es extrem spröde und daher sehr dehnungsempfindlich wird. Der 32-T-Magnet des NHMFL verwendet einen HTS-Draht der zweiten Generation aus YBCO, einer supraleitenden Keramik, die aus Yttrium, Barium, Kupfer und Sauerstoff besteht. Die Produktion von YBCO-Drähten und -Bändern hat in den letzten Jahren zugenommen, und ihre mechanischen Eigenschaften sind besser als die von Bi-2212, aber sie zeigen anisotrope Effekte in Bezug auf die Feldorientierung, die beim Magnetdesign berücksichtigt werden müssen. Außerdem erfordern sie anspruchsvollere Quench-Managementsysteme. Kurz gesagt, beide Materialien haben ihre Herausforderungen, aber auch einige Vorteile und sind gute Kandidaten für Hochfeldmagnete.

Management von gespeicherter Energie und Spannung

Damit die Supraleiter im Insert und Outsert des Magneten funktionieren, müssen beide Komponenten vollständig in ein Bad aus flüssigem Helium bei 4.2 K. Wenige μJ zusätzlicher Energie – das entspricht der potenziellen Energie einer Stecknadel, die aus wenigen Zentimetern Höhe fallen gelassen wird – würden ausreichen, um die Temperatur über den Punkt zu erhöhen, an dem die Spulen widerstandsfähig werden und der Magnet einen Quench erfährt. Wenn das passiert, kocht das Helium ab und die gesamte im Magneten gespeicherte Energie wird sehr schnell freigesetzt, wodurch die Gefahr besteht, dass die Struktur des Magneten beschädigt wird, wenn der Abschreckungsprozess nicht richtig gesteuert wird. Auch das Schadenspotenzial ist beträchtlich: Bei dem maximalen Feld von 32 T beträgt die im NHMFL-Magneten gespeicherte Energie mehr als 8,3 MJ, was ungefähr der Energie von 2 kg TNT entspricht.

Hochfeldmagnete spielen bereits eine wichtige Rolle in der wissenschaftlichen Forschung und Entwicklung

Wie kann man die Ableitung von 8,3 MJ Energie so steuern, dass weder der Magnet noch die Objekte in seiner Umgebung Schaden nehmen? Die Lösung ist ein Quench-Management-System, das die Energie sehr schnell freisetzt, aber auf eine Weise, die eine Beschädigung des Magneten durch thermische Gradienten oder übermäßige Spannungen in der Spule vermeidet. Dieses System (eine spezielle und patentierte Lösung, die von Oxford Instruments entwickelt wurde) stellt sicher, dass während des Abschreckvorgangs alle Belastungen der Spulen und deren Spannungen innerhalb der Konstruktionsgrenzen gehalten werden, um eine übermäßige Beeinträchtigung der Materialleistung zu vermeiden. Zum Beispiel werden speziell entwickelte Spulenheizungen verwendet, um die Magnetspulen widerstandsfähig zu machen, was die Energie aus dem Quench gleichmäßig und sicher verteilt und verhindert, dass Abschnitte der Spule durch lokalisierte Überspannungen beschädigt werden. Zusätzlich wird die Sicherheit des integrierten Magnetsystems durch Sensoren aufrechterhalten, die kleine Schwankungen der Temperatur, der Spannung, des Stroms oder der physikalischen Position von Drähten und Bändern überwachen. Ein Teil dieser Informationen wird dann in einen zentralen Prozessor eingespeist, der feststellt, ob ein „echtes“ Quench-Ereignis vorliegt und gegebenenfalls die gespeicherte Energie rechtzeitig und sicher entlädt.

Neben der Speicherung großer Energiemengen sind Hochfeldmagnete auch einer enormen elektromagnetischen Belastung ausgesetzt. Für einen gegebenen Magneten steigt die Menge der mechanischen Spannungen quadratisch mit der Feldstärke, und bei 32 T summieren sich diese Spannungen auf mehr als 300 Tonnen, bei einem magnetischen Druck von mehr als 250 MPa. Herkömmliche Methoden zur Verstärkung von Magnetspulen bestehen darin, sie mit Wachs zu imprägnieren, um eine selbsttragende Struktur zu schaffen, die verhindert, dass die Lorentz-Kraft auf die Spule sie während des Betriebs beschädigt, oder dass mechanische Bewegungen zu wiederholtem Abschrecken der Spule führen. Bei sehr hohen Feldern ist dies jedoch nicht ausreichend. Stattdessen wurden die Spulen für den LTS-Outsert in einer speziellen Vakuumkammer evakuiert und die Kammer anschließend wieder auf Atmosphärendruck gebracht, nachdem Epoxidharz eingebracht worden war, um die Luftporen innerhalb der Spulen zu ersetzen. Dieser Prozess macht es möglich, dass die Spulen Kräften von mehr als 300 Tonnen standhalten können.

Aussichten auf Entdeckungen

Hochfeldmagnete spielen bereits eine wichtige Rolle, um wissenschaftliche Forschung und Entwicklung zu ermöglichen. Viele bedeutende Entdeckungen, darunter mehrere, die später mit Nobelpreisen in Physik, Chemie oder Medizin ausgezeichnet wurden, sind mit Hilfe starker Magnetfelder gemacht worden. Supraleitende Hochfeldmagnete sind auch eine unverzichtbare Technologie für Teilchenbeschleuniger und Collider, und sie spielen eine entscheidende Rolle in Fusionsanlagen wie dem Internationalen Thermonuklearen Experimentalreaktor (ITER).

Meiner Meinung nach liegen einige der spannendsten zukünftigen Anwendungen für Geräte wie den 32 T NHMFL-Magneten jedoch auf dem Gebiet der Nanotechnologie. Hochfeldmagnete werden die Untersuchung und Manipulation von Atomen und molekularen Strukturen im Bereich von 1-100 nm ermöglichen und uns dabei helfen zu verstehen, wie die Eigenschaften von Materialien in diesem Maßstab verbessert werden können, um eine höhere Festigkeit, verbesserte Reaktivität, bessere katalytische Funktion und höhere Leitfähigkeit zu erreichen. In Kombination mit niedrigen Temperaturen sind hohe Felder auch ein entscheidendes Hilfsmittel, um neue Zustände der Materie zu untersuchen, zu modifizieren und zu kontrollieren. Supraleitende Magnete liefern diese hohen Magnetfelder ohne den enormen Stromverbrauch und die großen Infrastrukturanforderungen von Widerstandsmagneten. Der neue, noch kompaktere 32-T-Magnet wird die damit verbundenen Betriebskosten noch weiter senken und die Hochfeldforschung einem breiteren Kreis von Wissenschaftlern und Institutionen zugänglich machen.

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