Перспективы ВТСП магнитных систем со сверхсильными полями
2009, Tом 6, выпуск 4
Тематика: ВТСП устройства
Прогресс производства высокотемпературных сверхпроводящих материалов расширяет возмож-ности их применения в различных областях науки и техники. С помощью сверхпроводящих магнитов с ВТСП вставками станет возможным при температуре жидкого гелия относительно дешево получать поля с индукцией более 30 Тл. Это даст огромные преимущества, так как для низкотемпературной сверхпроводимости такие поля просто недостижимы, а биттеровские магниты неприемлемо дороги в эксплуатации.
С помощью комбинированных (ВТСП+НТСП) целиком сверхпроводящих соленоидов исследователи смогут проводить измерения в сверхвысоких магнитных полях сколь угодно долго, что качественно поднимет уровень исследований в магниторезонансной томографии, биологических исследованиях, физике полупроводников и металлов, а также изучении самих ВТСП материалов.
Рис. 1. Сравнение полевых зависимостей критических токов ВТСП и НТСП проводников.
Рис. 2. Гибридный магнит MagLab&SuperPower на 26,8 Тл при 4,2 К (ВТСП-7,8/Битер-19 Тл)
Из данных, приведенных на рис. 1, видно, что даже с использованием переохлажденного гелия (1,8 К), что само по себе дорого и неудобно, Nb3Sn проводники не пригодны для получения высоких полей в силу сильной деградации их критических токов. Хотя для более экзотических проводников на основе Nb3Al падение токонесущей способности не столь сильно, на сегодняшний день не налажено их промышленного производства с более или менее представительными длинами. Решением проблемы может стать использование ВТСП проводников на основе Bi2223, Bi2212 и YBCO, критические поля которых составляют до (а при 4,2К превышают) 100 (!) Тл.
Сегодня инженеры из Национальной Лаборатории Сильных Магнитных Полей (MagLab, Флорида, США) в сотрудничестве с SuperPower Inc., как никогда близки к прорыву в производстве высокополевых магнитов для различных физических исследований. За короткий срок ими было заявлено сразу о двух мировых рекордах в достигнутой индукции магнитного поля – 10,4 Тл на ВТСП-2 соленоиде, и 33,8 Тл на гибридной магнитной системе (биттеровский магнит на 31 Тл и ВТСП-2 вставка на 2,8 Тл). события развивались следующим образом.
В 2007 году SuperPower сообщила об испытаниях ВТСП галетной катушки (рис. 2) с индукцией поля при 4,2К в 9,8 Тл (0,73 Тл при 77 К). При использовании этой катушки в качестве высокопо-левой вставки в 20 МВт биттеровский магнит с индукцией 19 Тл и отверстием диаметром 20 см удалось достигнуть рекордного на тот момент поля в 26,8 Тл.
Спустя год, на похожей галетной катушке, намотанной из ВТСП проводников 2-го поколения легированных цирконием, было достигнуто магнитное поле в ~ 1,1 Тл при 77К.
И наконец, в октябре 2008 года, абсолютным (на сегодняшний день) мировым рекордом достигнутой индукции магнитного поля стал гибридный магнит на 33,8 Тл, состоящий из ВТСП вставки на 2,8 Тл (из 40 м ВТСП ленты 2-го поколения) в узкоканальном биттеровском магните на 31 Тл.
Вторым рекордом MagLab и SuperPower в июле 2009 года стала более крупная ВТСП катушка (было использовано в 15 раз больше проводника, чем в катушке на 2,8 Тл), способная создавать поле в 10,4 Тл при 4,2К. При ее совместном включения в широком канале биттеровского магнита на 19,9 Тл удалось достигнуть поля в 27,4 Тл (рис. 3).
Рис. 3. Гибридный магнит MagLab&SuperPower на 27,4 Тл при 4,2К (ВТСП-7,5 Тл/Битер-19,9 Тл).
Самым главным недостатком описанных выше биттеровских магнитных систем является чрезвычайно высокие энергозатраты и, как следствие, стоимость их эксплуатации. Средняя цена часа работы мощного биттеровского магнита составляет 774$, в то же время, работа сверхпроводящего магнита обходится в 18$/час. СП магнит практически не расходует элек-троэнергию после достижения рабочего поля, за исключением энергозатрат на обеспечение работы криогенной системы. Дни и даже недели работы полностью сверхпроводящих магнитов могут быть очень дешевы, в сравнении с работой громоздких энергоемких биттеровских магнитов.
В свете всего вышесказанного неудивительно, что сразу же после обнародования удачных опытов с ВТСП вставками в биттеровских магнитах началось финансирование проекта MagLab по созданию полностью сверхпроводящего (ВТСП+НТСП, рис. 4) комбинированного магнита на 32 Тл (что на 45% выше полей, получаемых при помощи самых мощных низкотемпературных магнитов). Национальный научный фонд США и Университет Флориды выделили на эти цели и млн., соответственно. Предполагаемый срок поставки готового устройства - осень 2012. Одновременно с MagLab британская компания Magnifye занимается поиском способов снижения стоимости первичной запитки током таких магнитов.
Необходимо добавить, что экспериментами с использованием ВТСП вставок также занимается группа ученых из Японского Национального Института Материаловедения и Международного Технологического Центра Сверхпроводимости Японии. И хотя достигнутые ими поля несколько меньше рекордов MagLab, тем не менее, эти работы заслуживают внимания. В качестве материалов для высокопольных вставок они используют ВТСП проводники 2-го поколения собственного производства (Je = 560 А/мм2 в 20 Тл) и GdBCO (Je = 415 А/мм2 в 29 Тл при 4,2К). С помощью чисто сверхпроводящего комбинированного магнита при 4,2 К было достигнуто максимальное поле в 20,1 Тл (НТСП - 14,1 Тл/YBCO - 6 Тл). Параметры ВТСП вставки: 5 витков, 125 слоев без пропитки, длина проводника - 138 м. В свою очередь, в резистивном магните на 28,3 Тл ВТСП вставка смогла поднять индукцию на 1 Тл. Параметры вставки: 8 витков, 17 слоев без пропитки, длина проводника - 14 м.
Рис. 4. Проект комбинированного чисто сверхпроводящего магнита (желтым показаны ВТСП катушки, красным – Nb3Sn, синим – NbTi).
Одной из наиболее важных областей применения высокопольных магнитов является ЯМР спектроскопия сверхвысокого разрешения. Использование ВТСП вставок в магнитах спектрометров позволит не только создать ряд уникальных установок с рекордными параметрами (поле выше 23,5 Тл), но и превратить единичные ЯМР спектрометры на 800-1000 МГц в серийное лабораторное оборудование. На рис. 6 показана история развития ЯМР магнитов. Видно, что использование ВТСП вставок сможет существенно повысить рабочие характеристики.
Работы над высокополевыми магнитами для ЯМР активно ведутся в ряде зарубежных научных центров. Особенно следует отметить работы исследовательской группы Массачусетского Технологического Института (MIT, США) под руководством профессора Ивасы, нацеленные на разработку ЯМР магнитов с частотами ≥ 1 ГГц, за счет использования вставок из Bi-2223.
Рис. 5. ВСТП вставки японских гибридных магнитов на 20,1 (полностью сверхпроводящий) и 29,3 Тл (с резистивным магнитом внешнего поля).
Рис. 6. История развития ЯМР магнитов.
Рис. 7. 700 МГц (16,5 Тл) ЯМР магнит с ВТСП вставкой Массачусетского Технологического Института.
На рис. 7 показаны НТСП магнит на 600 МГц с холодным каналом в 140 мм и 100 МГц ВТСП вставка в виде 48 двойных галет Bi-2223 (диаметр теплого канала 55 мм). Следующим шагом исследователей из MIT должны стать 1,1 ГГц (2012 г.) и 1,3 ГГц (2017 г.) магниты – см. рис. 8.
Даже первые эксперименты с комбинированными НТСП/ВТСП магнитами открывают огромные возможности в получении дешевых в эксплуатации сверхсильных магнитных полей. Рекордные критические поля ВТСП материалов (~ 100 Тл) позволяют надеяться на новые рекорды, и в недалеком будущем высокопольные магниты из уникальных штучных устройств, могут превратиться в серийное лабораторное оборудование.
Рис. 8. Проект 1,1 и 1,3 ГГц комбинированных (НТСП/ВТСП) ЯМР магнитов MIT.