Instrumentatie en meting

Supersterke magneten zijn een relatief recent verschijnsel. Vóór de 19e eeuw waren de enige beschikbare magneten natuurlijk gesteente gemaakt van een mineraal dat magnetiet wordt genoemd. Dit begon te veranderen na 1819, toen de Deense wetenschapper Hans Christian Ørsted ontdekte dat elektrische stromen in metaaldraden magnetische velden creëren, maar de echte sprong in magneetkracht kwam pas bijna een eeuw later, met de ontdekking van supergeleiding. Supergeleiders geleiden elektriciteit met een perfecte efficiëntie, wat een enorm voordeel is voor het maken van sterke magneten: de krachtigste commercieel verkrijgbare supergeleidende magneten van vandaag kunnen een stabiel veld tot 23 T produceren, wat meer dan 2000 keer sterker is dan de magneet op uw koelkast.

In december 2017 zorgden verbeteringen in lage-temperatuur-supergeleider (LTS) magneettechnologie, samen met vooruitgang in hoge-temperatuur supergeleidende (HTS) materialen, voor een andere verandering in de ontwikkeling van magneten. De succesvolle demonstratie van een volledig supergeleidende magneet van 32 T door het National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) in Florida, VS, was een belangrijke mijlpaal op dit gebied. De nieuwe supermagneet zal naar verwachting in 2019 beschikbaar komen voor gebruikers, en het hoge, stabiele veld zal wetenschappers helpen nieuwe wegen in te slaan bij studies van onder meer kernspinresonantie, elektronenmagneetresonantie, moleculaire vaste stoffen en quantumoscillatiestudies van complexe metalen. Op langere termijn zal de ruimere beschikbaarheid van zulke sterke magnetische velden naar verwachting ook ons begrip van supergeleiders en nanomaterialen vergroten, wat zal leiden tot nieuwe nano-apparaten en -toepassingen.

Er zijn echter verschillende uitdagingen verbonden aan het ontwerpen en vervaardigen van magneten die velden van > 25 T kunnen produceren. De hoeveelheid opgeslagen energie in dergelijke systemen is enorm, en het beheersen van de elektromagnetische krachten en spanningen die gepaard gaan met zowel het opwekken van de magneet als het laten opwarmen en “quenchen” (zoals de overgang van supergeleidend naar resistief gedrag wordt genoemd) is geen sinecure. Het is ook moeilijk om hoogwaardige, uniforme LTS- en HTS-draden en -banden per meter (en zelfs per kilometer) te produceren. Het succes van het uiteindelijke 32 T-ontwerp kwam niet van de ene dag op de andere, maar was het resultaat van intensieve engineering en materiaalontwikkeling gedurende bijna tien jaar.

Het vinden van de juiste supergeleider

Een supergeleidende magneet van ≥25 T bestaat gewoonlijk uit een buitenmagneet (of “outsert”) van LTS-materialen en een insert waarin HTS-materialen worden gebruikt. In de 32 T NHMFL-magneet bestaat het buitengedeelte uit drie spoelen van niobium-tin (Nb3Sn) en twee spoelen van niobium-titanium (NbTi), alle geleverd door Bruker-Oxford Superconducting Technology. Samen leveren deze spoelen een veld van 15 T via een 250 mm breed geboorde magneet. Het inbrenggedeelte levert 17 T in een koude boring van 34 mm, ontwikkeld door het NHMFL met gebruikmaking van geavanceerde HTS-supergeleidende banden, geproduceerd door Superpower Inc. De twee secties zijn geïntegreerd door een team wetenschappers van de NHMFL, ondersteund door een team van mijn bedrijf, Oxford Instruments Nanoscience, dat ook de buitenmagneet en het cryogene systeem van de magneet heeft ontwikkeld.

Het tweecomponentenontwerp van magneten met een hoog veld is noodzakelijk omdat LTS-magneten alleen niet veel meer dan 21 T bij 4,2 K (of 23 T bij 2,2 K) kunnen produceren als gevolg van de fysieke beperkingen van LTS-materialen. NbTi bijvoorbeeld werd in de jaren 1970 ontwikkeld en is sindsdien het “werkpaard” van de supergeleidende magneten geweest. NbTi-materiaal kan echter alleen als supergeleider functioneren bij velden tot 10 T bij 4,2 K (en niet meer dan 11,7 T bij 2,2 K) voor magneten met smalle boringen van minder dan 60 mm. Voor magneten met grotere boringen is het maximale veld nog lager, wat de bruikbaarheid van het materiaal in magneten met een hoog veld beperkt. Spoelen gemaakt van Nb3Sn materiaal kunnen supergeleidend blijven tot 23 T bij 2,2 K, veel hoger dan mogelijk is voor NbTi, maar ze moeten ook een zeer fijne filament-achtige structuur hebben om een fenomeen te voorkomen dat bekend staat als flux jumping, waarbij energie in de supergeleider wordt gedissipeerd en de spoel voortijdig kan doven. Daarom moeten bij de fabricage van Nb3Sn-draad strenge kwaliteitscontroleprocedures worden toegepast om ervoor te zorgen dat de draad bij hoge velden stabiel werkt.

HTS-materialen daarentegen kunnen al bij 4,2 K een aanzienlijke stroom geleiden, en zij blijven supergeleidend ver boven de magnetische veldgrenzen die inherent zijn aan niobium-gebaseerde draden, en hebben goede prestaties laten zien bij velden tot 45 T (die kunnen worden opgewekt door magneten die zowel resistieve als supergeleidende spoelen bevatten). Deze materialen brengen echter extra uitdagingen met zich mee wat betreft hun kosten, betrouwbaarheid en acceptatie door de gebruikersgemeenschap. De eerste generatie HTS-draad werd gemaakt van een op cupraten gebaseerde supergeleider, bismutstrontiumcalciumkoperoxide (Bi-2212). Dit materiaal presteert consistent ongeacht de oriëntatie van het magnetisch veld, maar voor de fabricage ervan moet het materiaal een zeer nauwkeurige warmtebehandeling in zuurstof ondergaan, waarna het uiterst bros en dus zeer spanningsgevoelig wordt. De NHMFL 32 T-magneet maakt gebruik van een HTS-draad van de tweede generatie, gemaakt van YBCO, een supergeleidende keramiek die is samengesteld uit yttrium, barium, koper en zuurstof. De productie van YBCO-draden en -banden is de laatste jaren toegenomen en hun mechanische eigenschappen zijn beter dan die van Bi-2212, maar zij vertonen anisotrope effecten met betrekking tot de veldoriëntatie waarmee bij het magneetontwerp rekening moet worden gehouden. Zij vereisen ook meer verfijnde quench-managementsystemen. Kortom, beide materialen hebben hun uitdagingen, maar ook enkele voordelen, en zijn sterke kandidaten voor magneten met een hoog veld.

Hanteren van opgeslagen energie en spanning

Om de supergeleiders in de inlage en de uitlage van de magneet te laten werken, moeten beide componenten volledig ondergedompeld worden gehouden in een bad van vloeibaar helium bij 4,2 K.Een paar μJ extra energie – gelijk aan de potentiële energie van een speld die van een hoogte van slechts enkele centimeters valt – zou voldoende zijn om de temperatuur te doen stijgen tot boven het punt waar de spoelen weerstand gaan bieden en de magneet een demping ondergaat. Als dat gebeurt, kookt het helium weg en komt alle energie die in de magneet is opgeslagen zeer snel vrij, met het risico dat de structuur wordt beschadigd als het quench-proces niet goed wordt beheerd. Ook het schadepotentieel is aanzienlijk: bij het maximale veld van 32 T is de in de NHMFL-magneet opgeslagen energie meer dan 8,3 MJ, ongeveer gelijk aan de energie in 2 kg TNT.

Hoogveldmagneten spelen nu al een belangrijke rol bij het mogelijk maken van wetenschappelijk onderzoek en ontwikkeling

Hoe kun je de dissipatie van 8,3 MJ energie zo regelen dat de magneet of objecten eromheen geen eindschade oplopen? De oplossing is een quench-managementsysteem dat de energie zeer snel vrijgeeft, maar op zodanige wijze dat schade aan de magneet door thermische gradiënten of te hoge spanningen in de spoel wordt voorkomen. Dit systeem (een speciale en gepatenteerde oplossing die door Oxford Instruments is ontwikkeld) zorgt ervoor dat tijdens de storingsmodus alle spanningen op de spoelen en hun spanningen binnen de ontwerpgrenzen worden gehouden, zodat de materiaalprestaties niet buitensporig worden aangetast. Zo worden bijvoorbeeld speciaal ontworpen spoelverwarmers gebruikt om de magneetspoelen resistief te maken, waardoor de energie van de quench gelijkmatig en veilig wordt verspreid en wordt voorkomen dat delen van de spoel worden beschadigd door gelokaliseerde overspanningen. Bovendien wordt de veiligheid van het geïntegreerde magneetsysteem gehandhaafd door sensoren die kleine variaties in temperatuur, spanning, stroom of de fysieke positie van draden en banden bewaken. Een deel van deze informatie wordt vervolgens doorgegeven aan een centrale processor, die bepaalt of er sprake is van een “echte” quench en zo nodig de opgeslagen energie tijdig en veilig ontlaadt.

Naast de opslag van grote hoeveelheden energie ondervinden hoogveldmagneten ook enorme elektromagnetische spanningen. Voor een gegeven magneet neemt de hoeveelheid mechanische spanning kwadratisch toe met de veldsterkte, en bij 32 T lopen deze spanningen op tot meer dan 300 ton, met een magnetische druk van meer dan 250 MPa. Traditionele manieren om magnetische spoelen te versterken zijn ze te impregneren met was om een zelfdragende structuur te creëren die voorkomt dat de Lorentz-kracht op de spoel deze tijdens bedrijf beschadigt, of mechanische bewegingen die leiden tot herhaald doven van de spoel. Bij zeer hoge velden is dit echter niet voldoende. In plaats daarvan werden de spoelen voor de LTS-outsert geëvacueerd in een speciale vacuümkamer, en de kamer werd vervolgens weer op atmosferische druk gebracht nadat epoxyhars was ingebracht om de luchtleemtes in de spoelen te vervangen. Dit proces maakt het mogelijk dat de spoelen krachten van meer dan 300 ton kunnen weerstaan.

Vooruitzichten voor ontdekkingen

Hoogveldmagneten spelen nu al een belangrijke rol bij het mogelijk maken van wetenschappelijk onderzoek en ontwikkeling. Veel belangrijke ontdekkingen, waaronder verschillende die later zijn bekroond met Nobelprijzen voor natuurkunde, scheikunde of geneeskunde, zijn gedaan met behulp van sterke magneetvelden. Supergeleidende magneten met een hoog veld zijn ook een essentiële technologie voor deeltjesversnellers en -colliders, en zij spelen een cruciale rol in fusie-installaties zoals de internationale thermonucleaire experimentele reactor (ITER).

De meest opwindende toekomstige toepassingen voor apparaten zoals de 32 T NHMFL-magneet liggen volgens mij echter op het gebied van de nanotechnologie. Magneten met een hoog veld zullen de bestudering en manipulatie van atomen en moleculaire structuren in het bereik van 1-100 nm mogelijk maken, en ons helpen te begrijpen hoe de eigenschappen van materialen op deze schaal kunnen worden verbeterd om een grotere sterkte, een verbeterde reactiviteit, een betere katalytische werking en een hoger geleidingsvermogen te bereiken. In combinatie met lage temperaturen zijn hoge velden ook een cruciaal hulpmiddel bij het bestuderen, wijzigen en beheersen van nieuwe toestanden in de materie. Supergeleidende magneten leveren deze hoge magnetische velden zonder het enorme stroomverbruik en de grote infrastructuureisen van resistieve magneten. De nieuwe, nog compactere 32 T-magneet zal de bedrijfskosten nog verder verlagen, waardoor onderzoek met hoge velden toegankelijk wordt voor een breder scala van wetenschappers en instellingen.

• Bekijk de rest van de 2018 Physics World Focus on Instruments and Vacuum in ons digitale magazine of via de Physics World-app voor elke iOS- of Android-smartphone of -tablet.