Цей великий цвях створює найсильніше магнітне поле у світі

Дослідникам Національної лабораторії високих магнітних полів (MagLab) вдалося створити мініатюрний електромагніт з інтенсивністю магніту 45,5 Тесла, більшою, ніж у величезних об'єктів, що до цього часу тримали рекорд. Технологія, яка могла б повністю змінити горизонт можливих сфер застосування.

Він не більший за рулон туалетного паперу і важить всього 390 грам. Цей великий цвях довжиною 53,1 міліметра щойно побив 20-річний рекорд найвищого коли-небудь створеного магнітного поля - 45,5 тесла. Для порівняння, типовий магніт МРТ генерує магнітне поле від 2 до 3 Тесла. Таким чином, 45,5-Т, розроблений Національною лабораторією високих магнітних полів (MagLab), перевершує попередній рекорд половини Тесли, який тримає інший магніт MagLab, 45-Т. Останній, 35-тонний пристрій, складається з мідного сердечника всередині, ніобієво-олов’яної котушки. Для роботи йому потрібен 31 МВт (еквівалент потужності двох ракетних двигунів Ariane 5) і виробляє стільки тепла, що для його охолодження потрібні тисячі літрів води. .

"Революція, подібна до кремнію в електроніці"

"Така мініатюризація являє собою революцію, настільки важливу, як те, що кремній приніс в електроніку", - запевняє директор MagLab Грег Бебінгер. Такі магніти можуть бути використані в детекторах частинок, реакторах ядерного синтезу та діагностичних інструментах у медицині ». Більш потужні магніти дозволять, наприклад, поліпшити якість зображення МРТ або вивчити властивості матеріалів. Але як міг такий маленький об’єкт генерувати таке сильне магнітне поле? ?

1260 ампер на квадратний міліметр

Винахід, описаний в огляді Природа 12 червня 2019 року, в основі лежить як новий надпровідний матеріал, так і новий дизайн. Замість використання ніобію, металу, який в даний час використовується у великих надпровідних магнітах, група дослідників на чолі з Seungyong Hahn розробила новий матеріал, який отримав назву ReBCO (оксид міді рідкоземельного барію), оксид міді та барій та рідкісні землі. Сплав, здатний нести 1260 ампер на квадратний міліметр, вдвічі більше струму, ніж ніобій. Однак чим вища щільність струму, що протікає в котушці, тим інтенсивнішим буде магнітне поле.

Мідні смужки тонкі, як волосся

Інше нововведення стосується ізоляції, а точніше відсутності ізоляції. Таким чином, струмові надпровідні магніти містять ізоляцію між провідними шарами, що відповідають за спрямування струму на найбільш ефективний шлях. Але, коли на шляху струму перебуває недосконалість або перешкода, остання потім блокується, що спричинює потенційно шкідливий перегрів та втрату надпровідності. Рішення, знайдене дослідницькою групою: зняти ізоляцію. "Оскільки витки котушки не ізольовані один від одного, вони можуть дуже легко ділити струм, щоб обійти ці перешкоди", пояснює Девід Ларбалестьє, один із співавторів дослідження та директор відділу матеріалів. MagLab. Інша перевага полягає в тому, що він прибирає вагу і об’єм з пристрою.

Щоб запобігти перегріванню за відсутності ізоляції, дослідники застосували надтонкі смуги ReBCO товщиною 0,043 мм і шириною 4 мм, виготовлені компанією SuperPower. Справжній виклик, оскільки цей матеріал дуже крихкий і сприйнятливий до розтріскування на боках при механічному чи магнітному напруженні. Отже, кожна стрічка має непросвічений край, звернений до зовнішньої сторони котушки; який, на думку вчених, запобігає пошкодженню.

Потужний магніт, незабаром доступний кожному ?

Насправді рекордне магнітне поле в 45,5 Тесла не є результатом однієї єдиної котушки. Це було отримано шляхом розміщення останнього всередині сильнішого резистивного магніту, поки два поєднані магнітні поля не досягли очікуваного значення (14,4 тесла для котушки та 31,1 для магніту.). Крім того, це дуже інтенсивне магнітне поле могло підтримуватися лише кілька хвилин. Якщо прогрес все ж буде попереду, "цей різновид універсального магніту з високою енергоефективністю може демократизувати національний доступ до цієї технології", запевняє Леонард Спіну, який контролює фінансування MagLab.

Найпотужніший у світі магніт для нейтронних експериментів

Стаття Лорана Сакко, опублікована 17.04.2007

Інститут Ган-Майтнера в Берліні вирішив забезпечити себе найбільшим магнітом у світі для експериментів розсіювання на нейтронах. Для цього він замовив його у Національній лабораторії високого магнітного поля та Університеті Флориди. Це повинно дозволити йому зробити важливі відкриття у галузі фізики конденсованої речовини.

HMI вже має один із найсильніших магнітів на планеті для такого роду експериментів. У 2011 році той, який він матиме, зможе створити магнітні поля від 25 до 30 Тесла, що в 500 000 разів перевищує магнітне поле Землі. Експерименти з розсіянням нейтронів завжди були дуже важливими для розуміння магнітних властивостей матеріалів, особливо щодо явищ надпровідності.

У цьому випадку мова йшла б про розкриття секретів критичних високотемпературних надпровідників, таких як LBCO та YBCO. Це також повинно дозволити краще зрозуміти органічні молекули та біологічні системи з їх атомів водню. .

Підготовчі дослідження щодо можливостей, відкритих цим майбутнім документом, переконали Федеральне міністерство освіти та досліджень, що проект вартий того, щоб заплатити понад 20 мільйонів євро.

Майбутня система буде гібридом класичного мідного магніту з рідким азотом надпровідним магнітом, що оточує попередній. Таким чином, отримуючи особливо сильне магнітне поле, буде потрібна лише третина потужності, яка використовується для звичайного магніту, що виробляє це саме поле.