Введение

Электромагнит, созданный из катушек сверхпроводящего провода.

Сверхпроводящий магнит – это электромагнит, изготовленный из катушек сверхпроводящего провода. Во время работы их необходимо охлаждать до криогенных температур. В сверхпроводящем состоянии провод не имеет электрического сопротивления и, следовательно, может проводить гораздо более сильные электрические токи, чем обычный провод, создавая мощные магнитные поля. Сверхпроводящие магниты способны создавать более сильные магнитные поля, чем все, кроме самых мощных не сверхпроводящих электромагнитов, а большие сверхпроводящие магниты могут быть экономичнее в эксплуатации, поскольку энергия не рассеивается в виде тепла в обмотках. Они используются в томографах МРТ в больницах, а также в научном оборудовании, таком как спектрометры ЯМР, масс-спектрометры, термоядерные реакторы и ускорители частиц. Они также применяются для левитации, наведения и движения в системе магнитной левитации (маглев), строящейся в Японии.

Охлаждение

Во время работы магнитные обмотки необходимо охлаждать ниже их критической температуры – температуры, при которой материал обмотки переходит из нормального резистивного состояния в сверхпроводящее, что соответствует криогенному диапазону, значительно более низкому, чем комнатная температура. Обмотки обычно охлаждаются до температур, значительно ниже критической, поскольку чем ниже температура, тем эффективнее работают сверхпроводящие обмотки – тем более высокие токи и магнитные поля они способны выдерживать, не теряя сверхпроводимости. Для поддержания магнитных обмоток при температуре, необходимой для сохранения сверхпроводящих свойств, обычно используются два типа систем охлаждения.

С жидкостным охлаждением

Жидкий гелий используется в качестве хладагента для многих сверхпроводящих обмоток. Его температура кипения составляет 4,2 К, что значительно ниже критической температуры большинства материалов обмоток. Магнит и хладагент помещены в теплоизолированный контейнер (dewar), называемый криостатом. Чтобы предотвратить кипение гелия, криостат обычно имеет внешнюю оболочку, содержащую (значительно более дешевый) жидкий азот при 77 К. Альтернативно, вокруг сосуда, заполненного гелием, размещается тепловой экран из проводящего материала, поддерживаемый в диапазоне температур 40–60 К и охлаждаемый проводящими соединениями с холодной головкой криокулера, для поддержания теплового притока к нему на допустимом уровне. Одной из целей поиска высокотемпературных сверхпроводников является создание магнитов, которые можно охлаждать только жидким азотом. При температурах выше примерно 20 К охлаждение может быть достигнуто без испарения криогенных жидкостей.

Механическое охлаждение

Из-за растущей стоимости и сокращающихся запасов жидкого гелия многие сверхпроводящие системы охлаждаются с помощью двухступенчатого механического охлаждения. Как правило, используются два типа механических криокулеров, обладающих достаточной холодопроизводительностью для поддержания магнитов ниже их критической температуры. Криокулеры Гиффорда-МакМэхона доступны в коммерческом исполнении с 1960-х годов и получили широкое распространение. Регенеративный цикл G M в криокулере работает с использованием поршневого вытеснителя и теплообменника. В 1999 году было впервые применено коммерческое устройство на основе импульсной трубки (пульс-трубного) криокулера. Эта конструкция криокулеров становится все более распространенной благодаря низкой вибрации и большому межсервисному интервалу, поскольку в конструкциях импульсных трубок используется акустический процесс вместо механического перемещения. В типичном двухступенчатом холодильнике первая ступень обеспечивает более высокую холодопроизводительность, но при более высокой температуре (≈77 К), а вторая ступень достигает ≈4,2 К и менее 2,0 от холодопроизводительности первой ступени. На практике первая ступень используется главным образом для вспомогательного охлаждения криостата, а вторая ступень – для охлаждения магнита.

Материалы для намотки катушек

Максимальное магнитное поле, достижимое в сверхпроводящем магните, ограничено полем, при котором материал обмотки перестает быть сверхпроводящим, его "критическим полем" Hc, которое для сверхпроводников II рода является верхним критическим полем. Другим ограничивающим фактором является "критический ток" Ic, при котором материал обмотки также теряет сверхпроводимость. Развитие магнитов было сосредоточено на создании более качественных материалов для обмоток. Сверхпроводящие части большинства современных магнитов состоят из ниобий-титана. Этот материал имеет критическую температуру 10 К и может находиться в сверхпроводящем состоянии до 15 К. Более дорогие магниты изготавливаются из ниобий-олова (Nb3Sn). Они имеют Tc 18 К. При работе при 4,2 К они способны выдерживать значительно более высокую напряженность магнитного поля, до 25–30 Т. К сожалению, из этого материала гораздо сложнее изготавливать необходимые нити. Поэтому иногда используется комбинация Nb3Sn для секций с высоким полем и NbTi для секций с низким полем. Ванадий-галлий – еще один материал, применяемый для вставок с высоким полем. Высокотемпературные сверхпроводники (например, BSCCO или YBCO) могут использоваться для вставок с высоким полем, когда требуемые магнитные поля превышают возможности Nb3Sn. BSCCO, YBCO или диборид магния также могут использоваться для токоотводов, проводящих высокие токи от комнатной температуры в холодный магнит без существенного теплопритока от резистивных отводов.

Структура проводника

Намотки катушек сверхпроводящего магнита изготавливаются из проводов или лент сверхпроводников типа II (например, ниобий-титан или ниобий-олово). Сам провод или лента могут состоять из крошечных нитей (толщиной около 20 микрометров) сверхпроводника в медной матрице. Медь необходима для обеспечения механической прочности и для создания пути с низким сопротивлением для больших токов в случае, если температура превысит Tc или ток превысит Ic и сверхпроводимость будет потеряна. Эти нити должны быть столь малыми, поскольку в данном типе сверхпроводника ток течет только в поверхностном слое, толщина которого ограничена лондонской глубиной проникновения (см. эффект скин-эффекта). Катушка должна быть тщательно спроектирована для выдерживания (или компенсации) магнитного давления и сил Лоренца, которые в противном случае могут привести к разрушению провода или сжатию изоляции между соседними витками.

Электроснабжение

Ток для обмоток катушки подается от источника питания постоянного тока с высоким током и очень низким напряжением, поскольку в установившемся режиме единственное напряжение на магните обусловлено сопротивлением подводящих проводов. Любое изменение тока, протекающего через магнит, должно производиться очень медленно, во-первых, потому что с электрической точки зрения магнит представляет собой большую индуктивность, и резкое изменение тока приведет к значительному скачку напряжения на обмотках, а что более важно, потому что быстрые изменения тока могут вызывать вихревые токи и механические напряжения в обмотках, которые могут спровоцировать гашение (см. ниже). Поэтому источник питания обычно управляется микропроцессором и запрограммирован на плавное изменение тока, пологими нарастаниями и спадами. Обычно для подачи питания или отключения лабораторного магнита требуется несколько минут.

Постоянный режим

В качестве альтернативного режима работы, используемого большинством сверхпроводящих магнитов, применяется замыкание обмоток на короткое замыкание с помощью куска сверхпроводника после подачи энергии на магнит. Обмотки образуют замкнутый сверхпроводящий контур, источник питания можно отключить, и постоянные токи будут циркулировать в течение месяцев, поддерживая магнитное поле. Преимущество этого режима поддержания постоянства заключается в том, что стабильность магнитного поля выше, чем при использовании самых совершенных источников питания, и не требуется энергия для поддержания тока в обмотках. Короткое замыкание осуществляется с помощью "постоянного переключателя" – куска сверхпроводника внутри магнита, соединенного поперек концов обмотки и прикрепленного к небольшому нагревателю. При первом включении магнита провод переключателя нагревается выше температуры перехода и становится проводящим. Поскольку само обмотка не имеет сопротивления, ток через провод переключателя не течет. Для перехода в режим поддержания постоянства ток питания регулируется до достижения желаемого магнитного поля, после чего нагреватель отключается. Постоянный переключатель охлаждается до своей сверхпроводящей температуры, замыкая обмотки на короткое замыкание. Затем источник питания можно отключить. Ток в обмотке и магнитное поле не будут сохраняться бесконечно, но будут медленно затухать в соответствии с нормальной индуктивной постоянной времени (L/R):

где – небольшое остаточное сопротивление в сверхпроводящих обмотках, обусловленное соединениями или явлением, называемым сопротивлением движению потока. Почти все коммерческие сверхпроводящие магниты оснащены постоянными переключателями.

Магнитное гашение

Затухание – это аномальное прекращение работы магнита, возникающее, когда часть сверхпроводящей катушки переходит в нормальное (резистивное) состояние. Это может произойти из-за слишком сильного магнитного поля внутри магнита, слишком высокой скорости изменения поля (вызывающей вихревые токи и, как следствие, нагрев в медной опорной матрице) или их комбинации. Реже причиной затухания может стать дефект магнита. В этом случае конкретная область подвергается быстрому джоулеву нагреву из-за огромного тока, что повышает температуру окружающих областей. Это, в свою очередь, переводит эти области в нормальное состояние, вызывая дальнейший нагрев в цепной реакции. Весь магнит быстро становится нормальным (это может занять несколько секунд, в зависимости от размера сверхпроводящей катушки). Это сопровождается громким хлопком, поскольку энергия магнитного поля преобразуется в тепло и происходит быстрое испарение криогенной жидкости. Резкое уменьшение тока может привести к возникновению киловольтных индуктивных импульсов напряжения и электрических дуг. Постоянные повреждения магнита случаются редко, но компоненты могут быть повреждены локальным нагревом, высоким напряжением или большими механическими силами. На практике магниты обычно оснащаются системами безопасности для остановки или ограничения тока при обнаружении начала затухания. Если в большом магните произошло затухание, инертный газ, образующийся при испарении криогенной жидкости, может представлять значительную опасность удушья для операторов, вытесняя пригодный для дыхания воздух. Большая часть сверхпроводящих магнитов Большого адронного коллайдера ЦЕРН неожиданно подверглась затуханию во время пуско-наладочных работ в 2008 году, что потребовало замены ряда магнитов. Для снижения риска потенциально разрушительных затуханий сверхпроводящие магниты, составляющие LHC, оснащены быстродействующими нагревателями, которые активируются при обнаружении события затухания сложной системой защиты от затухания. Поскольку дипольные магниты соединены последовательно, каждая силовая цепь включает 154 отдельных магнита, и в случае затухания вся накопленная энергия этих магнитов должна быть сброшена одновременно. Эта энергия передается в сбросные устройства – массивные блоки металла, которые нагреваются до нескольких сотен градусов Цельсия из-за сопротивления в течение нескольких секунд. Хотя затухание магнита нежелательно, это "довольно обычное явление" при работе ускорителя частиц.

Магнитная "тренировка"

В некоторых случаях сверхпроводящие магниты, предназначенные для очень высоких токов, требуют длительной обкатки, чтобы магниты могли функционировать при их полных запланированных токах и полях. Это называется "тренировкой" магнита и включает в себя тип эффекта "магнитной памяти". Одна из ситуаций, в которой это требуется, – это коллайдеры частиц, такие как Большой адронный коллайдер CERN. Магниты LHC должны были работать при 8 ТэВ (2 × 4 ТэВ) при первом запуске и 14 ТэВ (2 × 7 ТэВ) при втором запуске, но первоначально работали при более низкой энергии 3,5 ТэВ и 6,5 ТэВ на луч соответственно. Из-за первоначальных кристаллографических дефектов в материале они изначально теряют свою сверхпроводящую способность ("гаснут") при токе ниже проектного. CERN заявляет, что это связано с электромагнитными силами, вызывающими незначительные перемещения в магнитах, что, в свою очередь, приводит к потере сверхпроводности при работе с высокой точностью, необходимой для достижения запланированного тока. Затем, в 1961 году, Кунцлер, Бюлер, Хсу и Верник обнаружили, что соединение ниобия и олова может поддерживать критические сверхтоки плотностью более 100 000 ампер на квадратный сантиметр в магнитных полях 8,8 тесла. Несмотря на свою хрупкость, ниобий-олово с тех пор оказалось чрезвычайно полезным в супермагнитах, генерирующих магнитные поля до 20 Т. Постоянный переключатель был изобретен в 1960 году Дуайтом Адамсом, будучи постдоком в Стэнфордском университете. Второй постоянный переключатель был построен в Университете Флориды студентом Р. Д. Лихти в 1963 году и хранится в витрине в здании физики UF. В 1962 году Т. Г. Берлинкорт и Р. Р. Хейк обнаружили высокие критические магнитные поля и высокие значения плотности сверхтока в сплавах ниобия и титана. Хотя сплавы ниобия и титана обладают менее впечатляющими сверхпроводящими свойствами, чем ниобий-олово, они очень пластичны, легко обрабатываются и экономичны. Ниобий-титановые сплавы, используемые в супермагнитах, генерирующих магнитные поля до 10 тесла, являются наиболее широко используемыми материалами для супермагнитов. В 1986 году открытие высокотемпературных сверхпроводников Георгом Беднорцем и Карлом Мюллером дало импульс развитию этой области, открыв возможность создания магнитов, которые можно охлаждать жидким азотом вместо более сложного в обращении гелия. В 2007 году магнит с обмотками из YBCO достиг мирового рекорда по напряженности поля – 26,8 Т. Национальный совет по исследованиям США поставил цель создать сверхпроводящий магнит напряженностью 30 Т. В 2014 году в мире было создано около пяти миллиардов евро экономической активности, в которой сверхпроводимость является незаменимой. Системы МРТ, в большинстве из которых используется ниобий-титан, составляли около 80% от этой суммы. В 2016 году Юн и др. сообщили о создании сверхпроводящего магнита 26 Т без изоляции из GdBa2Cu3O7–x, используя технику, о которой ранее сообщалось в 2013 году. В 2017 году магнит YBCO, созданный Национальной лабораторией высокого магнитного поля (NHMFL), побил предыдущий мировой рекорд, достигнув 32 Т. Это полностью сверхпроводящий магнит, рассчитанный на десятилетия эксплуатации. Они удерживают текущий рекорд по состоянию на март 2018 года. В 2019 году новый мировой рекорд в 32,35 Т с использованием полностью сверхпроводящего магнита был достигнут Институтом электротехники Китайской академии наук (IEE, CAS). Для вставки HTS-магнита также не использовалась изоляция. В 2019 году NHMFL также разработала неизолированную пробную катушку YBCO в сочетании с резистивным магнитом и побила собственный мировой рекорд лаборатории по наивысшему непрерывному магнитному полю для любой конфигурации магнита – 45,5 Т. В 2020 году с использованием HTS-магнита был достигнут магнит для ЯМР напряженностью 1,2 ГГц (28,2 Т). В 2022 году Институт физических наук Хэфэй, Китайская академия наук (HFIPS, CAS) заявил о новом мировом рекорде по достижению самого сильного устойчивого магнитного поля – 45,22 Т, в то время как предыдущий рекорд NHMFL в 45,5 Т, достигнутый в 2019 году, был фактически достигнут непосредственно перед гашением магнита.

Применение

Сверхпроводящие магниты имеют ряд преимуществ по сравнению с резистивными электромагнитами. Они способны создавать гораздо более сильные магнитные поля, чем электромагниты с ферромагнитным сердечником, которые ограничены полями около 2 Т. Магнитное поле, как правило, более стабильно, что обеспечивает менее зашумленные измерения. Они могут быть компактнее, а пространство в центре магнита, где создается поле, остается свободным, а не занятым железным сердечником. Большие магниты могут потреблять значительно меньше энергии. В режиме устойчивого тока (выше) магнит потребляет только энергию, необходимую для работы холодильной установки. Более высокие поля могут быть достигнуты с использованием охлаждаемых резистивных электромагнитов, поскольку сверхпроводящие катушки теряют сверхпроводимость при высоких полях. Стабильные поля напряженностью более 40 Т могут быть получены, как правило, путем комбинирования электромагнита Bitter со сверхпроводящим магнитом (часто в виде вставки). Сверхпроводящие магниты широко применяются в томографах МРТ, приборах ЯМР, масс-спектрометрах, процессах магнитной сепарации и ускорителях частиц.

Железнодорожные перевозки

В Японии, после десятилетий исследований и разработок в области сверхпроводящего магнитно-левитационного транспорта, проводившихся Японскими национальными железными дорогами, а затем компанией Central Japan Railway Company (JR Central), правительство Японии дало разрешение JR Central на строительство линии "Тюо Синкансэн", соединяющей Токио с Нагоей, а в дальнейшем – с Осакой.

Ускоритель частиц

Одно из самых сложных применений сверхпроводящих магнитов — в коллайдере LHC. Его ниобий-титановые (Nb–Ti) магниты работают при 1,9 К, чтобы обеспечить их безопасную работу при 8,3 Т. Каждый магнит запасает 7 МДж. В общей сложности магниты запасают 10,4 МДж. Один или два раза в день, при разгоне протонов с 450 ГэВ до 7 ТэВ, напряженность магнитного поля сверхпроводящих отклоняющих магнитов увеличивается с 0,54 Т до 8,3 Т.

Реактор термоядерного синтеза

Центральный соленоид и тороидальные сверхпроводящие магниты, разработанные для термоядерного реактора ITER, используют ниобий-олово (Nb3Sn) в качестве сверхпроводника. Центральный соленоид выдерживает ток 46 кА и создает поле 13,5 Т. 18 тороидальных катушек, при максимальном поле 11,8 Т, запасают 41 ГДж (в общей сложности?). Они были испытаны при рекордном токе 80 кА. Другие магниты ITER с меньшим полем (PF и CC) используют ниобий-титан. Большинство магнитов ITER изменяют свое поле много раз в час.

Массовый спектрометр

Один масс-спектрометр высокого разрешения планировался с использованием сверхпроводящего магнита напряженностью 21 Тесла.