Instrumenty i pomiary

Nadmiernie silne magnesy są stosunkowo nowym zjawiskiem. Przed XIX wiekiem jedynymi dostępnymi magnesami były naturalnie występujące skały wykonane z minerału zwanego magnetytem. Zaczęło się to zmieniać po 1819 roku, kiedy duński naukowiec Hans Christian Ørsted odkrył, że prądy elektryczne w metalowych drutach tworzą pola magnetyczne, ale prawdziwy skok w sile magnesów nastąpił dopiero prawie sto lat później, wraz z odkryciem nadprzewodnictwa. Nadprzewodniki przewodzą prąd elektryczny z idealną wydajnością, co stanowi ogromną zaletę przy tworzeniu silnych magnesów: dzisiejsze najpotężniejsze dostępne na rynku magnesy nadprzewodnikowe mogą wytwarzać stabilne pole o wartości do 23 T, czyli ponad 2000 razy silniejsze niż magnes na Twojej lodówce.

W grudniu 2017 r. ulepszenia w technologii magnesów z nadprzewodników niskotemperaturowych (LTS), wraz z postępem w dziedzinie materiałów nadprzewodnikowych wysokotemperaturowych (HTS), przyniosły kolejną zmianę w rozwoju magnesów. Udana demonstracja 32 T całkowicie nadprzewodnikowego magnesu przez Narodowe Laboratorium Wysokiego Pola Magnetycznego (NHMFL) na Florydzie (USA) była znaczącym kamieniem milowym w tej dziedzinie. Oczekuje się, że nowy supermagnes będzie dostępny dla użytkowników w 2019 r., a jego wysokie, stabilne pole pomoże naukowcom przełamać nowe szlaki w badaniach m.in. nad magnetycznym rezonansem jądrowym, elektronowym rezonansem magnetycznym, molekularnymi ciałami stałymi i kwantowymi badaniami oscylacji złożonych metali. W dłuższej perspektywie, szersza dostępność tak silnych pól magnetycznych ma również poprawić nasze zrozumienie nadprzewodników i nanomateriałów, prowadząc do nowych nanourządzeń i zastosowań.

Istnieje jednak kilka wyzwań związanych z projektowaniem i produkcją magnesów zdolnych do wytwarzania pól o wartości > 25 T. Ilość energii zmagazynowanej w takich układach jest ogromna, a zarządzanie siłami elektromagnetycznymi i naprężeniami związanymi zarówno z zasilaniem magnesu, jak i z jego rozgrzewaniem i „wygaszaniem” (jak znane jest przejście od nadprzewodnictwa do oporu) nie jest łatwym zadaniem. Produkcja wysokiej jakości, jednorodnych drutów i taśm LTS i HTS na metry (a nawet kilometry) jest również trudna. Sukces ostatecznej konstrukcji 32 T nie nastąpił z dnia na dzień; był to raczej produkt intensywnego rozwoju inżynierii i materiałów przez prawie dekadę.

Znalezienie odpowiedniego nadprzewodnika

Magnes nadprzewodzący o mocy ≥25 T zazwyczaj składa się z magnesu zewnętrznego (lub „outsertu”) wykonanego z materiałów LTS i wkładu wykorzystującego materiały HTS. W magnesie NHMFL 32 T, sekcja zewnętrzna składa się z trzech cewek z niobu-cyny (Nb3Sn) i dwóch cewek z niobu-tytanu (NbTi), dostarczonych przez Bruker-Oxford Superconducting Technology. Razem, cewki te dostarczają pole o wartości 15 T poprzez magnes o średnicy 250 mm. Sekcja wkładki dostarcza 17 T w 34 mm zimnym otworze opracowanym przez NHMFL przy użyciu zaawansowanych taśm nadprzewodzących HTS wyprodukowanych przez Superpower Inc. Obie sekcje zostały zintegrowane przez zespół naukowców z NHMFL, wspierany przez zespół z mojej firmy, Oxford Instruments Nanoscience, który również opracował wkładkę magnesu i jego system kriogeniczny.

Dwukomponentowa konstrukcja magnesów wysokopolowych jest konieczna, ponieważ magnesy LTS-only nie mogą wytwarzać pola znacznie przekraczającego 21 T w temperaturze 4,2 K (lub 23 T w temperaturze 2,2 K) z powodu fizycznych ograniczeń materiałów LTS. Na przykład, NbTi został opracowany w latach 70. i od tego czasu jest „koniem roboczym” magnesów nadprzewodnikowych. Jednakże, materiał NbTi może funkcjonować jako nadprzewodnik tylko przy polach do 10 T w temperaturze 4,2 K (i nie więcej niż 11,7 T w temperaturze 2,2 K) w przypadku magnesów o wąskich otworach poniżej 60 mm. Dla magnesów o większych otworach maksymalne pole jest jeszcze niższe, co ogranicza przydatność tego materiału w magnesach wysokopolowych. Cewki wykonane z materiału Nb3Sn mogą utrzymywać nadprzewodnictwo do 23 T w temperaturze 2,2 K, czyli znacznie wyższej niż jest to możliwe w przypadku NbTi, ale muszą one mieć bardzo drobną strukturę przypominającą włókna, aby zapobiec zjawisku znanemu jako przeskakiwanie strumienia, które rozprasza energię w nadprzewodniku i może spowodować przedwczesne wygaszenie cewki. Dlatego też produkcja drutu Nb3Sn musi odbywać się z zastosowaniem rygorystycznych procedur kontroli jakości, aby zapewnić jego stabilne działanie przy wysokich polach.

Materiały HTS mogą natomiast przewodzić znaczący prąd w temperaturze 4,2 K i pozostają nadprzewodnikami znacznie powyżej limitów pola magnetycznego właściwych dla drutów na bazie niobu, wykazując dobre działanie w polach do 45 T (które mogą być generowane przez magnesy zawierające zarówno cewki rezystancyjne, jak i nadprzewodzące). Jednakże materiały te wiążą się z dodatkowymi wyzwaniami dotyczącymi ich kosztów, niezawodności i akceptacji przez społeczność użytkowników. Pierwsza generacja drutów HTS została wykonana z nadprzewodnika na bazie miedzianu, tlenku miedzi bizmutowo-strontowo-wapniowego (Bi-2212). Materiał ten zachowuje się niezmiennie niezależnie od orientacji pola magnetycznego, ale jego produkcja wymaga poddania go bardzo precyzyjnej obróbce cieplnej w tlenie, po której staje się on niezwykle kruchy, a przez to bardzo wrażliwy na odkształcenia. W magnesie NHMFL 32 T zastosowano drut HTS drugiej generacji wykonany z YBCO, ceramiki nadprzewodzącej składającej się z itru, baru, miedzi i tlenu. Produkcja drutów i taśm YBCO wzrosła w ciągu ostatnich kilku lat, a ich właściwości mechaniczne są lepsze niż w przypadku Bi-2212, ale wykazują one efekty anizotropowe w odniesieniu do orientacji pola, które muszą być uwzględnione w projektowaniu magnesu. Wymagają one również bardziej zaawansowanych systemów zarządzania wygaszaniem. W skrócie, oba materiały mają swoje wyzwania, ale także pewne zalety i są mocnymi kandydatami na magnesy wysokopolowe.

Zarządzanie zmagazynowaną energią i naprężeniami

Aby nadprzewodniki we wkładzie i wylocie magnesu mogły działać, oba elementy muszą być utrzymywane w pełni zanurzone w kąpieli ciekłego helu o temperaturze 4.Wystarczy zaledwie kilka μJ dodatkowej energii – równej energii potencjalnej szpilki upuszczonej z wysokości zaledwie kilku centymetrów – aby temperatura wzrosła powyżej punktu, w którym cewki stają się oporne, a magnes ulega wygaszeniu. W tym momencie hel wrze i cała energia zgromadzona w magnesie zostaje bardzo szybko uwolniona, co grozi uszkodzeniem jego struktury, jeśli proces wygaszania nie jest odpowiednio zarządzany. Potencjał zniszczenia jest również znaczący: przy maksymalnym polu 32 T, energia zmagazynowana w magnesie NHMFL wynosi ponad 8,3 MJ, co w przybliżeniu odpowiada energii zawartej w 2 kg trotylu.

Magnesy wysokopolowe już odgrywają ważną rolę w umożliwianiu badań naukowych i rozwoju

Jak zarządzać rozproszeniem 8,3 MJ energii w sposób, który nie spowoduje ostatecznego uszkodzenia ani magnesu, ani obiektów wokół niego? Rozwiązaniem jest system zarządzania wygaszaniem, który uwalnia energię bardzo szybko, ale w sposób, który pozwala uniknąć uszkodzenia magnesu przez gradienty termiczne lub nadmierne napięcia w cewce. System ten (dedykowane i opatentowane rozwiązanie opracowane przez Oxford Instruments) zapewnia, że podczas trybu awaryjnego, wszystkie naprężenia na cewkach i ich napięcia są utrzymywane w granicach projektowych, aby zapewnić brak nadmiernych wyzwań dla wydajności materiału. Na przykład, specjalnie zaprojektowane grzałki cewek są wykorzystywane do uczynienia cewek magnesów rezystancyjnymi, co rozprasza energię z hartowania równomiernie i bezpiecznie oraz zapobiega uszkodzeniu części cewki przez zlokalizowane nadmierne napięcia. Ponadto, bezpieczeństwo zintegrowanego systemu magnetycznego jest utrzymywane przez czujniki, które monitorują niewielkie zmiany temperatury, napięcia, prądu lub fizycznego położenia przewodów i taśm. Niektóre z tych informacji są następnie przekazywane do centralnego procesora, który określa, czy ma miejsce „prawdziwe” zdarzenie wygaszania i, jeśli to konieczne, rozładowuje zmagazynowaną energię w odpowiednim czasie i w bezpieczny sposób.

Oprócz przechowywania dużych ilości energii, magnesy wysokopolowe doświadczają również ogromnych naprężeń elektromagnetycznych. Dla danego magnesu, ilość naprężeń mechanicznych wzrasta czterokrotnie wraz z natężeniem pola, a przy 32 T naprężenia te sumują się do ponad 300 ton, przy ciśnieniu magnetycznym przekraczającym 250 MPa. Tradycyjne sposoby wzmacniania cewek magnetycznych polegają na impregnowaniu ich woskiem w celu stworzenia samonośnej struktury, która zapobiega uszkodzeniu cewki przez siłę Lorentza działającą na cewkę podczas pracy lub ruch mechaniczny prowadzący do wielokrotnego wygaszania cewki. Jednak przy bardzo wysokich polach nie jest to wystarczające. Zamiast tego, cewki do outsertu LTS były ewakuowane w specjalnej komorze próżniowej, a następnie komora była przywracana do ciśnienia atmosferycznego po wprowadzeniu żywicy epoksydowej w celu zastąpienia pustek powietrznych wewnątrz cewek. Proces ten sprawia, że cewki mogą wytrzymać siły przekraczające 300 ton.

Perspektywy odkryć

Magnesy wysokopolowe już teraz odgrywają ważną rolę w umożliwianiu badań naukowych i rozwoju. Wiele znaczących odkryć, w tym kilka uhonorowanych nagrodami Nobla w dziedzinie fizyki, chemii lub medycyny, zostało dokonanych przy pomocy silnych pól magnetycznych. Wysokopolowe magnesy nadprzewodnikowe są również niezbędną technologią w akceleratorach i zderzaczach cząstek oraz odgrywają kluczową rolę w urządzeniach termojądrowych, takich jak Międzynarodowy Eksperymentalny Reaktor Termojądrowy (ITER).

Moim zdaniem, niektóre z najbardziej ekscytujących przyszłych zastosowań urządzeń takich jak magnes 32 T NHMFL można znaleźć w dziedzinie nanotechnologii. Magnesy wysokopolowe umożliwią badanie i manipulowanie atomami i strukturami molekularnymi w zakresie 1-100 nm, pomagając nam zrozumieć, jak można poprawić właściwości materiałów w tej skali, aby osiągnąć większą wytrzymałość, zwiększoną reaktywność, lepsze funkcje katalityczne i wyższą przewodność. W połączeniu z niskimi temperaturami, wysokie pola są również kluczową pomocą w badaniu, modyfikowaniu i kontrolowaniu nowych stanów materii. Magnesy nadprzewodnikowe zapewniają te wysokie pola magnetyczne bez ogromnego zużycia energii i dużych wymagań infrastrukturalnych stawianych magnesom rezystancyjnym. Nowy, jeszcze bardziej kompaktowy magnes 32 T jeszcze bardziej obniży związane z tym koszty eksploatacji, dzięki czemu badania wysokopolowe staną się dostępne dla szerszego grona naukowców i instytucji.

• Poznaj resztę materiału z 2018 Physics World Focus on Instruments and Vacuum w naszym magazynie cyfrowym lub za pośrednictwem aplikacji Physics World na dowolny smartfon lub tablet z systemem iOS lub Android.