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网上百家乐:如何建造超级磁铁。 超强磁铁是一种

时间:2018-10-27 19:50

来源:未知作者:admin点击:

网上百家乐  这种情况在1819年开始发生变化,当时丹麦科学家HansChristianØrsted发现金属线中的电流会产生磁场,但磁体强度的真正飞跃直到近一个世纪之后才发现超导电性。超导体以极高的效率导电,这对于制造强磁铁来说是一个巨大的优势:如今市场上功能最强大的超导磁体可以产生高达23T的稳定磁场,比冰箱上的磁铁强2000多倍。
 
2017年12月,低温超导体(LTS)磁体技术的改进,以及高温超导(HTS)材料的进步,在磁体开发方面产生了另一个变化。美国佛罗里达州国家高磁场实验室(NHMFL)成功演示了32T全超导磁体,这是该领域的一个重要里程碑。新的超级磁体有望在2019年面向用户推出,其高稳定的领域将帮助科学家在复杂金属的核磁共振,电子磁共振,分子固体和量子振荡研究等领域开辟新天地。区域。从长远来看,这种强磁场的广泛可用性也有望增强我们对超导体和纳米材料的理解,从而产生新的纳米器件和应用。
 
然而,设计和制造能够产生> 25T的磁场的磁体存在一些挑战。像这样的系统中储存的能量很大,并且管理与磁铁通电相关的电磁力和应力,以及允许它升温和“淬火”(因为已知从超导到电阻行为的过渡),这不是一件容易的事。通过仪表(实际上是公里)生产高质量,均匀的LTS和HTS线和带也是困难的。 32 T最终设计的成功并非一蹴而就;相反,它是近十年来激烈的工程和材料开发的产物。
 
寻找合适的超导体
 
≥25T的超导磁体通常包括由LTS材料制成的外磁体(或“外插”)和使用HTS材料的插入件。在32 T NHMFL磁体中,外插部分由三个铌 - 锡(Nb3Sn)线圈和两个铌 - 钛(NbTi)线圈组成,全部由Bruker-Oxford超导技术提供。这些线圈一起通过250 mm宽口径磁铁提供15 T的磁场。插入部分使用由Superpower公司制造的先进HTS超导带,在NHMFL开发的34毫米冷孔中输出17T。这两个部分由NHMFL的科学家团队整合,由我公司的团队支持,牛津仪器纳米科学,这也开发了磁铁的外插及其低温系统。

高磁场磁铁的双组件设计是必要的,因为由于LTS材料的物理限制,仅LTS磁铁在4.2 K(或23 T,2.2 K)下不会产生超过21 T的磁场。例如,NbTi是在20世纪70年代开发的,从那时起一直是超导磁体的“主力”。然而,对于窄孔小于60 mm的磁体,NbTi材料只能在4.2 K(在2.2 K时不超过11​​.7 T)的高达10 T的场中起到超导体的作用。对于较大孔径的磁体,最大磁场甚至更低,限制了材料在高磁场磁体中的实用性。由Nb3Sn材料制成的线圈可以在2.2 K时保持高达23 T的超导,远高于NbTi可能的线圈,但它们还需要具有非常精细的灯丝状结构,以防止称为磁通量跳跃的现象消耗能量。超导体可导致线圈过早淬火。因此,Nb3Sn电线的制造必须采用严格的质量控制程序,以确保其在高电场下稳定运行。
 
相比之下,HTS材料可以承受4.2 K的大电流,并且它们仍然保持超导,远高于铌基电线固有的磁场限制,在高达45 T的磁场中表现出良好的性能(可以通过磁铁产生包括电阻和超导线圈)。然而,这些材料在其成本,可靠性和用户社区内的接受度方面存在额外的挑战。第一代HTS线由铜酸盐基超导体铋锶钙氧化铜(Bi-2212)制成。无论磁场取向如何,这种材料都能始终如一地发挥作用,但制造它需要在氧气中进行非常精确的热处理,之后它变得非常脆,因此对应变敏感。 NHMFL 32 T磁体使用由YBCO制成的第二代HTS线,YBCO是一种由钇,钡,铜和氧组成的超导陶瓷。在过去的几年中,YBCO线材和带材的生产有所增加,其机械性能优于Bi-2212,但它们在磁体设计中需要考虑磁场取向的各向异性效应。它们还需要更复杂的淬火管理系统。简而言之,这两种材料都有其挑战,但也有一些优点,并且是高磁场磁体的有力候选者。
 
管理储存的能量和压力
 
对于磁体插入和外插中的超导体来说,两个组件必须完全浸没在4.2 K的液氦浴中。少量μJ的额外能量 - 相当于引脚的势能从引脚的高度下降只需几厘米 - 足以将温度升高到线圈变为电阻的点以上,并且磁铁经历淬火。当发生这种情况时,氦气沸腾,磁铁中储存的所有能量都很快释放,如果淬火过程得不到妥善管理,可能会损坏其结构。损坏的可能性也很大:在32T的最大磁场中,存储在NHMFL磁体中的能量大于8.3MJ,大约等于2kg TNT中的能量。


高磁场磁铁已经在促进科学研究和发展方面发挥了重要作用
如何以不会对磁铁或周围物体造成终端损坏的方式管理8.3 MJ能量的耗散?该解决方案是一种淬火管理系统,可以非常快速地释放能量,但是可以通过热梯度或线圈中的过高电压来避免磁铁损坏。该系统(由牛津仪器公司开发的专用和专利解决方案)确保在故障模式期间,线圈上的所有应力及其电压都保持在设计极限内,以确保不会对材料性能造成过度挑战。例如,专门设计的线圈加热器用于使磁体线圈具有电阻性,其均匀且安全地分散来自淬火的能量,并且防止线圈的部分被局部过电压损坏。此外,集成磁铁系统的安全性由传感器维持,该传感器监测温度,电压,电流或电线和磁带的物理位置的微小变化。然后将这些信息中的一些馈送到中央处理器,该中央处理器确定是否正在发生“真实”熄火事件,并且如果必要的话,以及时和安全的方式释放所存储的能量。
 
除了存储大量能量之外,高磁场磁体还经受很大程度的电磁应力。对于给定的磁体,机械应力的量随场强而平方地增加,并且在32T时,这些应力总计超过300吨,磁压超过250MPa。增强磁性线圈的传统方法包括用蜡浸渍它们以形成自支撑结构,该结构防止线圈上的洛伦兹力在操作期间损坏它们,或机械运动导致重复的线圈淬火。但是,在非常高的领域,这还不够。相反,用于LTS外插的线圈在特殊的真空室中抽空,然后在引入环氧树脂以取代线圈内的空气空隙之后使室恢复到大气压。该过程使线圈可承受超过300吨的力。
 
发现的前景
 
高磁场磁铁已经在促进科学研究和发展方面发挥了重要作用。许多重大发现,包括随后获得诺贝尔物理学,化学或医学奖的几项重要发现,都是在强磁场的帮助下完成的。高场超导磁体也是粒子加速器和碰撞器的基本技术,它们在诸如国际热核实验反应堆(ITER)的聚变装置中起着关键作用。
 
 
不过,在我看来,32 T NHMFL磁体等设备最激动人心的未来应用可以在纳米技术领域找到。高磁场磁体可以研究和操作1-100 nm范围内的原子和分子结构,帮助我们了解如何改善这种规模的材料特性,以获得更高的强度,增强的反应性,更好的催化功能和导电率更高。结合低温,高场也是研究,修改和控制物质新状态的重要辅助手段。超导磁体提供这些高磁场,而没有电阻磁体的巨大功耗和大的基础设施要求。新的,更紧凑的32T磁铁将进一步降低相关的运行成本,使得h

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