Imán superconductor

Un imán superconductor es un electroimán hecho de bobinas de alambre superconductor. Deben enfriarse a temperaturas criogénicas durante el funcionamiento. En su estado superconductor, el cable no tiene resistencia eléctrica y, por lo tanto, puede conducir corrientes eléctricas mucho mayores que un cable ordinario, creando intensos campos magnéticos. Los imanes superconductores pueden producir campos magnéticos más fuertes que todos los electroimanes no superconductores, excepto los más fuertes, y los imanes superconductores grandes pueden ser más baratos de operar porque no se disipa energía en forma de calor en los devanados. Se utilizan en instrumentos de resonancia magnética en hospitales y en equipos científicos como espectrómetros de resonancia magnética nuclear, espectrómetros de masas, reactores de fusión y aceleradores de partículas. También se utilizan para levitación, guía y propulsión en un sistema ferroviario de levitación magnética (maglev) que se está construyendo en Japón.

Construcción

Enfriamiento

Durante el funcionamiento, los devanados del imán deben enfriarse por debajo de su temperatura crítica, la temperatura a la que el material del devanado cambia del estado resistivo normal y se convierte en un superconductor, que se encuentra en el rango criogénico muy por debajo de la temperatura ambiente. Los devanados generalmente se enfrían a temperaturas significativamente por debajo de su temperatura crítica, porque cuanto más baja es la temperatura, mejor funcionan los devanados superconductores: mayores son las corrientes y los campos magnéticos que pueden soportar sin regresar a su estado no superconductor. Normalmente se utilizan dos tipos de sistemas de refrigeración para mantener los devanados magnéticos a temperaturas suficientes para mantener la superconductividad:

Refrigerado por líquido

El helio líquido se utiliza como refrigerante para muchos devanados superconductores. Tiene un punto de ebullición de 4,2 K, muy por debajo de la temperatura crítica de la mayoría de los materiales de bobinado. El imán y el refrigerante están contenidos en un recipiente aislado térmicamente (dewar) llamado criostato. Para evitar que el helio se evapore, el criostato suele construirse con una camisa exterior que contiene nitrógeno líquido (mucho más barato) a 77 K. Alternativamente, se puede utilizar un escudo térmico hecho de material conductor y mantenido en un rango de temperatura de 40 K a 60 K, enfriado por conexiones conductoras al cabezal frío del crioenfriador se coloca alrededor del recipiente lleno de helio para mantener la entrada de calor a este último a un nivel aceptable. Uno de los objetivos de la búsqueda de superconductores de alta temperatura es construir imanes que puedan enfriarse únicamente con nitrógeno líquido. A temperaturas superiores a unos 20 K se puede lograr el enfriamiento sin que los líquidos criogénicos hiervan.

Refrigeración mecánica

Debido al costo creciente y a la disponibilidad cada vez menor de helio líquido, muchos sistemas superconductores se enfrían mediante refrigeración mecánica de dos etapas. En general, se emplean dos tipos de crioenfriadores mecánicos que tienen suficiente potencia de enfriamiento para mantener los imanes por debajo de su temperatura crítica. El Gifford-McMahon Cryocooler ha estado disponible comercialmente desde la década de 1960 y ha encontrado una aplicación generalizada. El ciclo del regenerador G-M en un crioenfriador funciona utilizando un desplazador de tipo pistón y un intercambiador de calor. Alternativamente, 1999 marcó la primera aplicación comercial utilizando un crioenfriador de tubo de pulso. Este diseño de enfriador criogénico se ha vuelto cada vez más común debido a la baja vibración y al largo intervalo de servicio, ya que los diseños de tubos de pulso utilizan un proceso acústico en lugar de desplazamiento mecánico. En un refrigerador típico de dos etapas, la primera etapa ofrecerá una mayor capacidad de enfriamiento pero a una temperatura más alta (≈77 K) y la segunda etapa alcanzará ≈4,2 K y < 2,0 W de potencia de refrigeración. En uso, la primera etapa se usa principalmente para el enfriamiento auxiliar del criostato y la segunda etapa se usa principalmente para enfriar el imán.

Materiales para bobinado

El campo magnético máximo que se puede lograr en un imán superconductor está limitado por el campo en el que el material del devanado deja de ser superconductor, su "campo crítico", H_c , que para los superconductores de tipo II es su campo crítico superior. Otro factor limitante es la "corriente crítica", I_c, a partir de la cual el material del devanado también deja de ser superconductor. Los avances en imanes se han centrado en crear mejores materiales de bobinado.

Las porciones superconductoras de la mayoría de los imanes actuales están compuestas de niobio-titanio. Este material tiene una temperatura crítica de 10 K y puede ser superconductor a aproximadamente 15 T. Se pueden fabricar imanes más caros con niobio-estaño (Nb₃Sn). Estos tienen un Tc de 18 K. Cuando funcionan a 4,2 K, son capaces de soportar una intensidad de campo magnético mucho mayor, de hasta 25 T a 30 T. Desafortunadamente, es mucho más difícil fabricar los filamentos necesarios con este material. Esta es la razón por la que a veces se utiliza una combinación de Nb₃Sn para las secciones de campo alto y NbTi para las secciones de campo bajo. Vanadio-galio es otro material utilizado para los insertos de alto campo.

Se pueden utilizar superconductores de alta temperatura (por ejemplo, BSCCO o YBCO) para inserciones de alto campo cuando los campos magnéticos requeridos son superiores a los que el Nb₃Sn puede soportar. BSCCO, YBCO o diboruro de magnesio también se pueden usar para cables de corriente, conduciendo altas corrientes desde temperatura ambiente hacia el imán frío sin una gran fuga de calor de los cables resistivos.

Estructura de conductores

Los devanados de la bobina de un imán superconductor están hechos de cables o cintas de superconductores de tipo II (por ejemplo, niobio-titanio o niobio-estaño). El propio cable o cinta puede estar formado por pequeños filamentos (de unos 20 micrómetros de espesor) de superconductor en una matriz de cobre. El cobre es necesario para agregar estabilidad mecánica y para proporcionar una ruta de baja resistencia para las grandes corrientes en caso de que la temperatura suba por encima de Tc o la corriente suba por encima de Ic y se pierda la superconductividad. Estos filamentos deben ser así de pequeños porque en este tipo de superconductor la corriente sólo fluye en una capa superficial cuyo espesor está limitado a la profundidad de penetración de London (ver Efecto piel). La bobina debe diseñarse cuidadosamente para resistir (o contrarrestar) la presión magnética y las fuerzas de Lorentz que, de otro modo, podrían causar la fractura del cable o el aplastamiento del aislamiento entre espiras adyacentes.

Operación

Fuente de alimentación

La corriente a los devanados de la bobina es proporcionada por una fuente de alimentación CC de muy bajo voltaje y alta corriente, ya que en estado estacionario el único voltaje a través del imán se debe a la resistencia de los cables alimentadores. Cualquier cambio en la corriente a través del imán debe realizarse muy lentamente, primero porque eléctricamente el imán es un inductor grande y un cambio abrupto de corriente dará como resultado un gran pico de voltaje en los devanados y, más importante aún, porque los cambios rápidos en la corriente pueden causar remolinos. corrientes y tensiones mecánicas en los devanados que pueden precipitar un enfriamiento (ver más abajo). Por lo tanto, la fuente de alimentación suele estar controlada por un microprocesador, programada para realizar cambios de corriente de forma gradual, en rampas suaves. Por lo general, se necesitan varios minutos para activar o desactivar un imán del tamaño de un laboratorio.

Modo persistente

Un modo de funcionamiento alternativo utilizado por la mayoría de los imanes superconductores es cortocircuitar los devanados con un trozo de superconductor una vez que el imán ha sido energizado. Los devanados se convierten en un circuito superconductor cerrado, la fuente de alimentación se puede cortar y corrientes persistentes fluirán durante meses, preservando el campo magnético. La ventaja de este modo persistente es que la estabilidad del campo magnético es mejor que la que se puede lograr con las mejores fuentes de alimentación y no se necesita energía para alimentar los devanados. El cortocircuito se produce mediante un "interruptor persistente", una pieza de superconductor dentro del imán conectado a través de los extremos del devanado, unido a un pequeño calentador. Cuando el imán se enciende por primera vez, el cable del interruptor se calienta por encima de su temperatura de transición, por lo que es resistivo. Dado que el devanado en sí no tiene resistencia, no fluye corriente a través del cable del interruptor. Para pasar al modo persistente, se ajusta la corriente de suministro hasta obtener el campo magnético deseado, luego se apaga el calentador. El interruptor persistente se enfría hasta su temperatura superconductora, provocando un cortocircuito en los devanados. Entonces se puede apagar la fuente de alimentación. La corriente del devanado y el campo magnético en realidad no persistirán para siempre, sino que decaerán lentamente de acuerdo con una constante de tiempo inductiva normal (L/R):

H()t)=H0e− − ()R/L)t,{displaystyle H(t)=H_{0}e^{-(R/L)t}

Donde R{displaystyle R. es una pequeña resistencia residual en los vientos superconductores debido a las articulaciones o un fenómeno llamado resistencia al movimiento del flujo. Casi todos los imanes superconductores comerciales están equipados con interruptores persistentes.

Apagado magnético

Un enfriamiento es una terminación anormal del funcionamiento del imán que ocurre cuando parte de la bobina superconductora entra en el estado normal (resistivo). Esto puede ocurrir porque el campo dentro del imán es demasiado grande, la tasa de cambio del campo es demasiado grande (provocando corrientes parásitas y el calentamiento resultante en la matriz de soporte de cobre) o una combinación de ambos. Más raramente, un defecto en el imán puede provocar un enfriamiento. Cuando esto sucede, ese lugar en particular está sujeto a un rápido calentamiento Joule debido a la enorme corriente, que eleva la temperatura de las regiones circundantes. Esto también empuja a esas regiones al estado normal, lo que conduce a un mayor calentamiento en una reacción en cadena. Todo el imán vuelve rápidamente a la normalidad (esto puede tardar varios segundos, dependiendo del tamaño de la bobina superconductora). Esto va acompañado de un fuerte estallido cuando la energía del campo magnético se convierte en calor y una rápida ebullición del fluido criogénico. La disminución abrupta de la corriente puede provocar picos de voltaje inductivo de kilovoltios y arcos. El daño permanente al imán es poco común, pero los componentes pueden dañarse por calentamiento localizado, altos voltajes o grandes fuerzas mecánicas. En la práctica, los imanes suelen tener dispositivos de seguridad para detener o limitar la corriente cuando se detecta el inicio de un enfriamiento. Si un imán grande se apaga, el vapor inerte formado por el fluido criogénico que se evapora puede presentar un riesgo significativo de asfixia para los operadores al desplazar el aire respirable.

Una gran parte de los imanes superconductores del Gran Colisionador de Hadrones del CERN se apagaron inesperadamente durante las operaciones de puesta en marcha en 2008, lo que requirió el reemplazo de varios imanes. Para mitigar los apagados potencialmente destructivos, los imanes superconductores que forman el LHC están equipados con calentadores de rampa rápida que se activan una vez que el complejo sistema de protección de apagado detecta un evento de apagado. Como los imanes de flexión dipolo están conectados en serie, cada circuito de alimentación incluye 154 imanes individuales y, en caso de que se produzca un evento de extinción, toda la energía almacenada combinada de estos imanes debe descargarse de inmediato. Esta energía se transfiere a vertederos, que son enormes bloques de metal que se calientan hasta varios cientos de grados Celsius debido al calentamiento resistivo en cuestión de segundos. Aunque no es deseable, el apagado de un imán es un "evento bastante rutinario" durante el funcionamiento de un acelerador de partículas.

Imán "entrenamiento"

En ciertos casos, los imanes superconductores diseñados para corrientes muy altas requieren un amplio asentamiento para permitir que los imanes funcionen con todas las corrientes y campos planificados. Esto se conoce como "entrenamiento" el imán, e implica una especie de efecto de memoria material. Una situación en la que esto es necesario es el caso de los colisionadores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Se planeó que los imanes del LHC funcionaran a 8 TeV (2 × 4 TeV) en su primera ejecución y a 14 TeV (2 × 7 TeV) en su segunda ejecución, pero inicialmente funcionaron con una energía más baja de 3,5 TeV y 6,5 TeV. por viga respectivamente. Debido a defectos cristalográficos iniciales en el material, inicialmente perderán su capacidad superconductora ("apagar") a un nivel más bajo que su corriente de diseño. El CERN afirma que esto se debe a que las fuerzas electromagnéticas provocan pequeños movimientos en los imanes, lo que a su vez provoca que se pierda la superconductividad cuando funcionan con la alta precisión necesaria para la corriente planificada. Al hacer funcionar repetidamente los imanes a una corriente más baja y luego aumentar ligeramente la corriente hasta que se apaguen bajo control, el imán obtendrá gradualmente la capacidad requerida para soportar las corrientes más altas de su especificación de diseño sin que se produzcan apagados y tendrá problemas de este tipo. 34;sacudido" fuera de ellos, hasta que finalmente puedan operar de manera confiable a su corriente planificada completa sin experimentar apagados.

Historia

Aunque la idea de fabricar electroimanes con alambre superconductor fue propuesta por Heike Kamerlingh Onnes poco después de descubrir la superconductividad en 1911, un electroimán superconductor práctico tuvo que esperar al descubrimiento de materiales superconductores que pudieran soportar grandes densidades de supercorriente críticas en campos magnéticos elevados. El primer imán superconductor exitoso fue construido por G.B. Yntema en 1955 utilizó alambre de niobio y logró un campo de 0,7 T a 4,2 K. Luego, en 1961, J.E. Kunzler, E. Buehler, F.S.L. Hsu y J.H. Wernick descubrió que un compuesto de niobio y estaño podría soportar densidades de supercorriente crítica superiores a 100.000 amperios por centímetro cuadrado en campos magnéticos de 8,8 teslas. A pesar de su naturaleza frágil, el niobio-estaño ha demostrado ser extremadamente útil en superimanes que generan campos magnéticos de hasta 20 T.

El interruptor persistente fue inventado en 1960 por Dwight Adams mientras era asociado postdoctoral en la Universidad de Stanford. El segundo interruptor persistente fue construido en la Universidad de Florida por M.S. estudiante R.D. Lichti en 1963. Se ha conservado en una vitrina en el Edificio de Física de la UF.

En 1962, T.G. Berlincourt y R.R. Hake descubrieron las propiedades de alto campo magnético crítico y alta densidad de supercorriente crítica de las aleaciones de niobio y titanio. Aunque las aleaciones de niobio y titanio poseen propiedades superconductoras menos espectaculares que las de niobio y estaño, son muy dúctiles, fáciles de fabricar y económicas. Útiles en superimanes que generan campos magnéticos de hasta 10 teslas, las aleaciones de niobio y titanio son los materiales superimanes más utilizados.

En 1986, el descubrimiento de superconductores de alta temperatura por Georg Bednorz y Karl Müller energizó el campo, planteando la posibilidad de imanes que pudieran enfriarse con nitrógeno líquido en lugar del helio, más difícil de trabajar.

En 2007, un imán con devanados de YBCO logró un campo récord mundial de 26,8 T. El Consejo Nacional de Investigación de Estados Unidos tiene como objetivo crear un imán superconductor de 30 teslas.

En 2016, Yoon et al informaron sobre un imán superconductor sin aislamiento de 26 T que construyeron con GdBa₂Cu₃O_{7– x}, utilizando una técnica que se informó anteriormente en 2013.

En 2017, un imán YBCO creado por el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético (NHMFL) rompió el récord mundial anterior con una fuerza de 32 T. Se trata de un imán de usuario totalmente superconductor, diseñado para durar muchas décadas. Tienen el récord actual a marzo de 2018.

En 2019, el Instituto de Ingeniería Eléctrica de la Academia China de Ciencias (IEE, CAS) logró un nuevo récord mundial de 32,35 T con un imán totalmente superconductor. También se utiliza una técnica sin aislamiento para el imán de inserción HTS.

En 2019, el NHMFL también desarrolló una bobina de prueba YBCO sin aislamiento combinada con un imán resistivo y rompió el récord mundial del laboratorio de campo magnético continuo más alto para cualquier configuración de imán a 45,5 T.

En 2022, los Institutos de Ciencias Físicas de Hefei y la Academia de Ciencias de China (HFIPS, CAS) afirman que se alcanzó un nuevo récord mundial de campo magnético estable más fuerte de 45,22 T, mientras que el récord anterior del NHMFL de 45,5 T en 2019 se alcanzó en realidad cuando el El imán falló inmediatamente en un enfriamiento.

Usos

Los imanes superconductores tienen una serie de ventajas sobre los electroimanes resistivos. Pueden generar campos magnéticos que son hasta diez veces más fuertes que los generados por electroimanes de núcleo ferromagnético ordinarios, que se limitan a campos de alrededor de 2 T. El campo es generalmente más estable, lo que resulta en mediciones menos ruidosas. Pueden ser más pequeños y el área en el centro del imán donde se crea el campo está vacía en lugar de estar ocupada por un núcleo de hierro. Lo más importante es que, en el caso de imanes grandes, pueden consumir mucha menos energía. En el estado persistente (arriba), la única energía que consume el imán es la necesaria para que cualquier equipo de refrigeración preserve la temperatura criogénica. Sin embargo, se pueden lograr campos más altos con electroimanes resistivos enfriados especiales, ya que las bobinas superconductoras entrarán en el estado normal (no superconductor) (ver enfriamiento, arriba) en campos altos. Muchas instituciones de todo el mundo ahora pueden lograr campos estables de más de 40 T, generalmente combinando un electroimán Bitter con un imán superconductor (a menudo como un inserto).

Los imanes superconductores se utilizan ampliamente en máquinas de resonancia magnética, equipos de resonancia magnética nuclear, espectrómetros de masas, procesos de separación magnética y aceleradores de partículas.

En Japón, después de décadas de investigación y desarrollo de maglev superconductor por parte de los Ferrocarriles Nacionales de Japón y más tarde de la Compañía Central de Ferrocarriles de Japón (JR Central), el gobierno japonés dio permiso a JR Central para construir el Chūō Shinkansen, que une Tokio con Nagoya y más tarde. a Osaka.

Uno de los usos más desafiantes de los imanes SC es en el acelerador de partículas del LHC. Los imanes de niobio-titanio (Nb-Ti) funcionan a 1,9 K para permitirles funcionar de forma segura a 8,3 T. Cada imán almacena 7 MJ. En total, los imanes almacenan 10,4 GJ. Una o dos veces al día, a medida que los protones se aceleran de 450 GeV a 7 TeV, el campo de los imanes de flexión superconductores aumentará de 0,54 T a 8,3 T.

Los imanes superconductores de campo toroidal y solenoide central diseñados para el reactor de fusión ITER utilizan niobio-estaño (Nb₃Sn) como superconductor. La bobina del solenoide central transportará 46 kA y producirá un campo de 13,5 T. Las 18 bobinas de campo toroidal con un campo máximo de 11,8 T almacenarán 41 GJ (¿en total?). Se han probado a un récord de 80 kA. Otros imanes ITER de campo inferior (PF y CC) utilizarán niobio-titanio. La mayoría de los imanes del ITER variarán su campo muchas veces por hora.

Se planeó un espectrómetro de masas de alta resolución para utilizar un imán SC de 21 teslas. Ahora, en 2020 se logró un imán de RMN de 1,2 GHz (28,2 T) mediante el uso de un imán HTS. Se está construyendo un imán de RMN de 1,3 GHz.

En 2014, a nivel mundial, se generó una actividad económica por valor de unos cinco mil millones de euros, de la cual la superconductividad es indispensable. Los sistemas de resonancia magnética, la mayoría de los cuales emplean niobio-titanio, representaron alrededor del 80% de ese total.