Магнитные рекорды

Сегодня поговорим о рекордных магнитах и немного о том, зачем они нужны.

Магниты такой конструкции (резистивные биттеровские магниты) остаются рабочими лошадками лабораторий сильных магнитных полей.

Основным потребителем самых сильных магнитов весь 20 век была наука. Термоядерные установки, ускорители, исследования на базе ядерного магнитного резонанса, нейтронная физика, охлаждение до температур ниже 1 кельвина и много еще чего требует как можно большего значения магнитной напряженности/индукции  (для вакуумного поля эти величины равны с точностью до константы).


Еще одним рекордным магнитом, о котором мы сегодня говорить не будем, является двойной диполь ускорителя БАК - из 1232 таких набрано его основное кольцо. Поле ~9 Т создается сверхпроводящим кабелем из NbTi охлажденным до 1,8К

Прежде чем перейти к конкретным конструкциям, стоит вспомнить, что энергия магнитного поля, сила его воздействие на электрические заряды и диамагнетики зависит от индукции B как квадрат. Т.е. поле в 10 Тесла несет в 100 больше энергии, чем поле в 1 Тесла. При этом важной характеристикой является давление поле на токовые трубки, которое равно 4 B^2 атмосфер. Т.е. для конструктора магнита поле в 100 Т эквивалетно попытке создать баллон на 40000 атмосфер - крайне непростая задача. Отсюда же видно, что мощные магниты с большим рабочим объемом (как у ИТЭР) - это еще большая сложность, чем просто мощные магниты.

Еще одним необычным рекордом являются сверхпроводящие магниты немецкого стелларатора Wendelstein 7-X

Итак, начнем мы с определения некоторых координат. Для постоянных магнитов, которые выпускает промышленность, характерны значения поля от 0,01 до 0,5 Т, причем неодимовые магниты в 0,5 Т уже воспринимаются как “сильные”. Рекорд, который можно выжать из постоянных магнитов ~1,5 Т у самой поверхности.

В электрических машинах (двигателях, генераторах, трансформаторах) поле внутри железных магнитопроводов ограничивается насыщением железа, полями где-то в 1,8-2,2 Т. В воздушном зазоре типичного асинхронного двигателя вы увидите скорее всего поле 0,5-0,8 Т, для рекордных по энергомассовым характеристикам BLDC моторов (4-5 кВт/кг) - 1...1,2 Т.

Довольно оригинальным применением силы неодимовых магнитов является 19 кВт электродвигатель (на снимке - красный цилиндр), 2 таких крутят насосы окислителя и горючего на новом ракетном двигателе "Резерфорд" компании Rocket lab.

Где-то начиная с 1,5 Т обычные медные электромагниты начинают испытывать трудности, прежде всего с отводом тепла. Необходимость перемежать медь с трубками водяного охлаждения, а также растущее межвитковое напряжение вздувает размеры магнита гораздо быстрее, чем растет поле.  Витки, которые располагаются дальше от рабочего объема вносят относительно небольшой вклад в поле, а значит ток в основном расходуется на нагрев магнита, а не на создание поля.

Медь

Однако с 1930х годов и почти до сих пор рекордные стационарные поля достигались в практически обычных водоохлаждаемых медных магнитах. Это так называемые Биттеровские магниты, представляющие собой медную пластинку свитую в спираль и имеющую хитрую систему продольных каналов охлаждения. Для этих магнитов характерны чудовищные плотности тока (до 700 А/мм^2), электрические мощности в 1,10 и даже 30 мегаватт, и расход охлаждающей воды в десятки и сотни литров в секунду.  Первый магнит на 10 Т был пущен в 1936 году, и следующие 30 лет держал рекорд по стационарному полю.

Американские биттеровские магниты 60-х годов на 25 Тесла.


Эта конструкция магнитов затем неоднократно оптимизировалась, и на сегодня рекорд поля в таких магнитах доведен до 38,5 Т в китайской лаборатории CHMFL. Мощность магнита составила 28,5 МВт с расходом охлаждающей воды в 500 литров в секунду (кстати, похоже к мощности магнита надо добавить еще примерно такую же на насосы, которые прокачивают эту воду через магнит). Ток около 36 тысяч ампер. При этом рекордное поле достигается в объеме диаметром всего 32 мм и длинной около 70 мм.

Китайский рекордный резистивный магнит - один заход спирали соленоида (из сплава CuAg), разрез и набор его катушек.

Резистивные магниты сегодня подошли к лимитам возможностей материалов, и максимальное доступное поле в них растет в основном экстенсивно - за счет наращивания мощности системы питания и охлаждения, увеличения количества катушек. Подобные магниты сегодня в основном используются для изучения очень разнообразных физических явлений в небольших образцах, зачастую при низкой температуре. Поэтому такие магниты работают в центрах коллективного использования, когда физики привозят свои образцы и аппаратуру, устанавливают ее на магнит и измеряют нужные им величины. Для маленьких образцов вполне удобно использовать магниты с небольшим просветом, типа 20-30 мм.


Верхушка биттеровского магнита на 30 Т без крышки. Здесь видно отверстие исследовательской камеры и щели для подачи охлаждающей воды.

Однако есть еще одно применение больших магнитных полей сегодня - это ЯМР-томография, т.е. построение карт плотности тканей за счет взаимодействия водорода с радиоизлучением в сильном магнитном поле. Чем выше поле - тем большее пространственное разрешение системы. Для таких систем нужен довольно большой рабочий объем магнита а также высокая гомогенность поля. Исследования в области сверхпроводимости в свою очередь требуют криостатов, которые с трудом помещаются в диаметр 32 мм, да и поле для некоторых сверхпроводников нужно больше.


Немножко забегая вперед - сверхпроводящий ЯМР-томограф со сверхвысоким полем (21Т), просветом 110 мм и пример получаемого изображения с разрешением в 26 мкм

Поэтому с 80х годов 20 века появляется направление гибридных магнитов, идея которых заключается в том, чтобы поместить биттеровский магнит внутрь сверхпроводящего, поля которых сложатся. Это позволяет поднимать поле и дальше без роста и без того монструозных требований по мощности и расходу охлаждающей воды.

Гибриды

Вставка магнита Биттера внутрь сверхпроводящего означает, что последний должен иметь рабочий просвет в 400-800 мм, т.е. значительно больше, чем рекорды, которые мы видели до этого. Магниты с большими рабочими объемами но меньшим полем пришли в лаборатории сильных магнитных полей от разработчиков токамаков, где в конце 70х были созданы сверхпроводящие магниты на основе холодных сверхпроводников  - ниобата олова и титана. В середине 80х в французской лаборатории сильных магнитных полей LNCMI создают гибридный магнит из 11Т сверхпроводящего и 22Т биттеровского с общим полем в 31Т, а в 2000 году американская National MagLab запускает установку гибридом с полем в 45Т, которая является рекордной до сих пор среди всех магнитов с постоянным полем.


Корпус всего магнита (слева) и криостата (справа)

Разрез гибридного магнита по криостату. Кстати, конструкция внешнего сверхпроводящего магнита, спроектированная для этой установки затем была использована еще в трех рекордных магнитах.

45 тесловый гибрид использует три внешних сверхпроводящих магнита и 4 внутренних резистивных типа “Биттер-флорида”. Резистивная часть потребляет 29 мегаватт при токе 74 кА и создает поле в 31 Т. Сверхпроводящая часть магнита создает поле в 14 Т и состоит из внешних обмоток из NbTi и внутренних из Nb3Sn, работает на токе в 8 кА при температуре 4,2 К. Просвет криостата сверхпроводящего магнита - 500 мм.

Сверхпроводящий внешний магнит гибрида на 45Т


И внутренний биттеровский магнит. Так 2,5 метра корпуса превращается в 32 мм рабочей камеры.

Кстати, для сравнения, напомню, что тороидальный магнит ИТЭР имеет ток проводинка в 68 кА, поле 12,8 Т при просвете 9000х7000 мм, т.е. можно представить, насколько далеко ИТЭР двинул вперед технологии низкотемпературных сверхпроводящих магнитов.


Кстати, в лабораторных магнитах используют проводник с гораздо меньшим током, наматывая больше витков - это упрощает систему питания да и сам проводник. Обратной стороной этого является бОльшие напряжения в системе, когда сверхпроводник внезапно переходит в нормальное состояние.

Кроме ИТЭР эти технологии двинулись вперед с появлением промышленных высокотемпературных сверхпроводников. Если низкотемпературные СП в принципе не позволяют создать поля выше 22 Т, т.е. они могут быть только частью рекордного магнита, то для ВТСП этот лимит расширяет до как минимум 45 Т.


Зависимость критической плотности тока от поля у разных сверхпроводников. Кстати, вы задумывались когда-нибудь, что за оборудование используется для построения этих диаграмм и почему они упираются в 45Т?

Сегодня новое направление создания рекордных магнитов - это полностью сверхпроводящие и сейчас все ведущие лаборатории мира (Китай, Нидерланды, Франция, США)проектируют СП-магниты на 30+ Т. Здесь тоже пока впереди всех флоридская MagLab, где началась сборка полностью сверхпроводящего магнита на 32 Т. Здесь 15 Т будет создаваться внешними магнитами из NbTi и Nb3Sn, а еще 17 - двухслойным ВТСП магнитом из YBCO лент.  “Высокотемпературные” сверхпроводники здесь используются как имеющие гораздо более высокие критические поля при температуре жидкого гелия, чем “низкотемпературные”.


Проект полностью сверхпроводящего магнита на 32Т

Технологии данного магнита потребовали почти 10 лет разработок, основные проблемы лежали в области очень высоких пондеромоторных сил со стороны  мощного магнитного поля на витки с током. Механические напряжение в YBCO катушках достигает 700 МПа - здесь, кстати, хорошо помогает то, что ВТСП-лента по сути в основном состоит из никелевого сплава с высокими прочностными характеристиками - медь такие напряжения не выдерживает.


НИОКР высокопольного ВТСП магнита.

Второй класс проблем связан с аварийной потерей сверхпроводящего состояния, и вывода тока из катушек. В частности, чтобы избежать пережога из-за медленного распространения нормальной зоны в катушки встроены нагреватели, которые при обнаружении перехода прогревают всю катушку, так чтобы энергия поля выделялась более равномерно.


Буквально недавно была изготовлена внутренняя рабочая катушка из ВТСП ленты, скоро можно ожидать запуска и сборки магнита.

Этот магнит будет обладать “холодным” рабочим объемом, и хорошо подойдет для изучения конденсированных состояний материи и квантовых эффектов в твердом теле, при этом по эксплуатационным расходам это совершенно другой класс устройств, в частности криостат, система криоснабжения и внешний СП-магнит из НТСП являются серийными изделиями, выпускаемымим фирмой Oxford Instruments.

Вообще oxford instruments - крупнейший поставщик сверхпроводящих магнитов, в основном для всякого научно-лабораторного применения на поля 3-15Т. В проекте ИТЭР эта фирма, например, поставляет магниты на 6Т для гиротронов

Вообще прежде чем перейти к следующим рекордсменам, хочется сказать о нескольких применениях таких магнитов за пределами просто предоставления стенда с высоким магнитыми полем.

Одним из основных прикладных потребителей серийных высокополевых магнитов являются ЯМР-спектрометры, рабочий инструмент химиков. Фирма Bruker, в частности, серийно производит спектрометры с полем до 23,5Т (у таких установок, кстати, есть довольно большие проблемы с экранированием такого поля от окружающих людей и предметов).


Исторический рост частоты ЯМР-спектрометров, что позволяет улучшать качество ЯМР-спектров.

Вторым серийным потребителем являются ЯМР-томографы высокого разрешения, которые применяются в биологических и нейробиологических исследованиях. Здесь поля доходят до 21Т. Наконец, чуть менее прикладным потребителем являются центры с нейтронными источниками, один из методов исследования магнитно-квантовых явлений - это изучение рассеяния нейтронов на материи в сильном магнитном поле, а также  холодильники для субмикрокельвиновых температур, требующие полей от 8 до 20 Т.

Видео со сборки 26Т магнита с большим просветом для исследования рассеиния поляризованных нейтронов на материи в Helmholtz-Zentrum Berlin

Импульсные магниты

Основные инженерные проблемы создания высокопольных магнитов - теплоотвод и прочность - сильно облегчаются, если перейти от постоянного магнитного поля к импульсному. В свою очередь импульсные системы делятся на многоразовые и одноразовые :)   

Интересно, что пионером в области импульсных магнитов был Петр Капица, занимавшийся подобными установками в 20х годах в лаборатории Кавендиша в Англии. Замыкая выход большого вращающегося генератора на соленоид он получал до 50 Т в течении нескольких миллисекунд. Такой подход позволял измерять многие величины связанные с большими магнитными полями даже в 20х, а с современной регистрирующей техникой вообще можно назвать такое поле почти квазистационарным.


Капица и его машина для создания импульсных магнитных полей.

Улучшая данный подход, в 60х разработчики переключились с вращающихся электромеханических источников энергии на конденсаторы и генераторы импульсов напряжения, позволяющие создать в медной катушке плотность тока во многие килоамперы на мм^2.

В сочетании с силовым подкреплением в виде стальной матрицы и захолаживанием жидким азотом (для снижения сопротивления, что уменьшает потребное напряжение, что облегчает изоляцию в таком магните) в 2012 году импульсные медные магниты достигли 101,2 Т в течении 1 миллисекунды - это значение на сегодня является рекордом (и принадлежит оно коллаборации американской ядерной оружейной лаборатории LANL и флоридской MagLab).

Видео про достижение рекордного значения поля в 101,2 Т.  Впрочем, видно тут мало что, да и вообще такое ощущение, что конструкция магнита засекречена, известны только общие значения

Такое значение достигается также с помощью нескольких вложенных катушек, внешние из которых дают длинный импульс (около 2 секунд) амплитудой до 45 Т, а внутренние - короткий импульс в 65 Т. Такая схема позволяет выдерживать напряжения в проводнике за пределом текучести материалов.

Интересно, что мощность такого магнита достигает нескольких гигаватт.


Генератор, который закорачивают на внешние обмотки магнита.

К сожалению, пока не видно каких-то путей по заметному увеличению значения поля в многоразовой установке. Однако если разрушение установки нам не страшно, то 101 Т - далеко не предел.

Самым простым вариантом тут является кусок меди, свернутый в виток, на который подключается высоковольтные конденсаторы. Такая схема позволяет получить и 300 и 400 тесла, правда на очень короткое время (порядка микросекунды) в объеме нескольких кубических миллиметров, что для экспериментатора, который занимается  изучением топологии поверхностей Ферми в твердых телах, например, является довольно сложными ограничениями.

Импульс поля на одноразовом магните.

Довольно элегантный выход из этих ограничений был найден еще в 50х годах путем изобретения взрывомагнитных генераторов. Здесь первичное магнитное поле сжимается до 2800 (!)Т. Делается это с помощью металлического цилиндрического лейнера, который с помощью циллиндрической взрывной волны от заряда взрывчатки коллапсирует к своей оси. При этом продольное магнитное поле увеличивается примерно в 100-200 раз.  По сравнению с предыдущей схемой во взрывомагнитном генераторе можно получить чуть большее время импульса магнитного поля, и чуть бОльший объем для образца, правда ценой гораздо более сложной постановки эксперимента.


Взрывомагнитный генератор и его принципиальная схема.

Еще в 50х годах с помощью ВМГ были измерены разнообразные характеристики материалов в экстремальном магнитном поле - проводимость, вращение поляризации (эффект фарадея), сжатие магнитного поля ядра атома и т.п. Еще одним интересным результатом является возможность ускорения такими магнитными полями металлических объектов до скоростей порядка 100 км/с.

Ограничения по полю у взрывомагнитных генераторов в свою очередь опять довольно фундаментально и связано с давлением магнитного поля, которое достигает десятков мегабар и останавливает металлический лейнер. 3000 тесла тут видимо является асимпотическим пределом.

В свою очередь, бОльшие значения давления (гигабары) достигаются в установках лазерной имплозии, и чисто теоретически такие установки способны создать магнитные поля в десятки тысяч и даже 100 тысяч тесла, правда в течении наносекунд и в микронных объемах. Сам сфокусированный лазерный импульс от петаваттного лазера имеет переменное магнитное поле такой же амплитуды. Однако все это весьма далеко от прикладной науки, однако интересно науке фундаментальной.


История рекордов магнитного поля для разных типов установок (многоразовых :))

Завершая обзор магнитных рекордов стоит вспомнить про магнетары - молодые нейтронные звезды с высокими магнитными полями. Высокие здесь - это до 100 миллиардов Тесла. Магнитное поле такого порядка, к примеру обладает плотностью энергии в 10^25 Дж на кубический метр, эквивалент mc^2  для вещества в 10000 раз плотнее свинца. Наблюдения за магнетарами (и обычными нейтронными звездами, поля которых в тысячи раз меньше) позволяют лучше понять поведения материи и пространства в подобных условиях, дополняя лабораторные исследования рекордными магнитами.