초전도 자석

Superconducting magnet
수직보어를 갖는 20테슬라 초전도자석의 개략도

초전도 자석은 초전도 와이어의 코일로 만들어진 전자석입니다.작동 중에는 극저온으로 냉각해야 합니다.초전도 상태에서 전선은 전기 저항이 없으므로 일반 전선보다 훨씬 큰 전류를 전도할 수 있어 강한 자기장을 형성합니다.초전도 자석은 가장 강한 비초전도 전자석을 제외한 모든 것보다 더 강한 자기장을 만들어 낼 수 있고, 큰 초전도 자석은 권선에서 열이 발산되면서 에너지가 소멸되지 않기 때문에 작동 비용이 더 저렴할 수 있습니다.그것들은 병원의 MRI 장비와 NMR 분광기, 질량 분석기, 융합 원자로 그리고 입자 가속기와 같은 과학 장비에 사용됩니다.그들은 또한 일본에서 건설되고 있는 자기 부상 (자기 부상) 철도 시스템에서 부상, 안내 및 추진에 사용됩니다.

시공

쿨링

작동 중에, 자석 권선은 권선 재료가 정상 저항 상태에서 변화하여 초전도체가 되는 온도인 임계 온도 이하로 냉각되어야 합니다. 초전도체는 상온보다 훨씬 낮은 극저온 범위에 있습니다.권선은 일반적으로 임계 온도보다 상당히 낮은 온도로 냉각되는데, 이는 온도가 낮을수록 초전도 권선이 더 잘 작동하기 때문입니다. 즉, 전류와 자기장이 높을수록 비초전도 상태로 돌아가지 않고 견딜 수 있기 때문입니다.초전도성을 유지하기에 충분한 온도에서 자석 권선을 유지하기 위해 일반적으로 두 가지 유형의 냉각 시스템이 사용됩니다.

액냉식

액체 헬륨은 많은 초전도 권선의 냉각제로 사용됩니다.비등점은 4.2K로 대부분의 권선 재료의 임계 온도보다 훨씬 낮습니다.자석과 냉각수는 크라이오스타트(cryostat)라고 불리는 열적으로 절연된 용기(dewar)에 담겨 있습니다.헬륨이 끓는 것을 방지하기 위해 냉동고는 보통 77K의 액체 질소를 포함하는 외부 재킷으로 구성됩니다.또는 전도성 물질로 구성되고 40K~60K 온도 범위를 유지하며 냉동기 콜드 헤드에 대한 전도성 연결부에 의해 냉각되는 열 차폐를 헬륨 충전 용기 주위에 배치하여 열 입력을 허용 가능한 수준으로 유지합니다.고온 초전도체 탐색의 목표 중 하나는 액체 질소만으로 냉각할 수 있는 자석을 만드는 것입니다.약 20K 이상의 온도에서는 극저온 액체를 끓이지 않고도 냉각할 수 있습니다.[citation needed]

기계냉각

비용의 증가와 액체 헬륨의 이용가능성의 감소로 인해, 많은 초전도 시스템은 2단계 기계적 냉동을 사용하여 냉각됩니다.일반적으로 기계식 냉동기는 자석을 임계 온도 이하로 유지할 수 있는 충분한 냉각력을 가진 두 가지 유형이 사용됩니다.Gifford–McMahon Cryocooler는 1960년대부터 상업적으로 판매되어 왔으며 널리 사용되고 있습니다.[1][2][3][4]크라이오쿨러의 G-M 재생기 사이클은 피스톤 타입의 디스플레서와 열교환기를 사용하여 작동합니다.또는 1999년에 펄스 튜브 냉동기를 사용한 최초의 상업적 응용을 기록했습니다.펄스 튜브 설계가 기계적 변위 대신 음향 프로세스를 사용함에 따라 낮은 진동과 긴 사용 간격으로 인해 이러한 극저온 냉각기 설계가 점차 보편화되고 있습니다.일반적인 2단 냉장고에서 1단은 더 높은 냉각 용량을 제공하지만 온도( ≈77K)가 더 높고 2단은 ≈4.2K 및 < 2.0W의 냉각 전력에 도달합니다.사용 시, 제 1 스테이지는 주로 크라이오스타트의 보조 냉각을 위해 사용되며, 제 2 스테이지는 주로 자석의 냉각을 위해 사용됩니다.

코일권선재

초전도 자석에서 도달할 수 있는 최대 자기장은 권선 재료가 초전도를 중단하는 자기장, 즉 "임계장" H에c 의해 제한되며, 유형 II 초전도체의 경우 상단 임계장입니다.또 다른 한계 요인은 "임계 전류" I로c, 권선 재료 또한 초전도를 중단합니다.자석의 발전은 더 나은 감김 재료를 만드는 데 초점을 맞추고 있습니다.

대부분의 현재 자석의 초전도 부분은 니오븀-티타늄으로 구성되어 있습니다.이 재료는 임계 온도가 10K이며 약 15T까지 초전도가 가능합니다.더 비싼 자석은 니오븀-주석(NbSn3)으로 만들 수 있습니다.이것들은 T가c 18K입니다.4.2K에서 작동할 때는 자기장 세기가 25T에서 30T까지 훨씬 더 높습니다.안타깝게도 이 재료로 필요한 필라멘트를 만드는 것은 훨씬 어렵습니다.이것이 때때로 높은 필드 섹션에 대한 NbSn과3 낮은 필드 섹션에 대한 NbTi의 조합이 사용되는 이유입니다.바나듐-갈륨은 높은 전계 삽입물에 사용되는 또 다른 물질입니다.

필요한 자기장이 NbSn이3 관리할 수 있는 것보다 높을 경우 고온 초전도체(예: BSCCO 또는 YBCO)를 높은 필드 삽입에 사용할 수 있습니다.[citation needed]BSCCO, YBCO 또는 마그네슘 다이보라이드를 전류 리드에 사용할 수도 있으며, 저항성 리드에서 큰 열 누출 없이 상온에서 냉자석으로 고전류를 전도합니다.[citation needed]

도체구조

초전도 자석의 코일 권선은 타입 II 초전도체(예: 니오븀-티타늄 또는 니오븀-주석)의 와이어 또는 테이프로 만들어집니다.와이어나 테이프 자체는 구리 매트릭스 안에 있는 초전도체의 작은 필라멘트(두께 약 20 마이크로미터)로 만들어질 수도 있습니다.구리는 기계적 안정성을 추가하기 위해 필요하며, 온도가 Tc 이상으로 상승하거나c 전류가 I 이상으로 상승하여 초전도성을 상실할 경우 큰 전류에 대해 낮은 저항 경로를 제공하기 위해 필요합니다.이러한 초전도체에서는 두께가 런던 침투 깊이로 제한된 표면층에서만 전류가 흐르기 때문에 이 필라멘트는 이렇게 작아야 합니다(스킨 효과 참조).코일은 인접한 턴 사이의 와이어 파단 또는 절연 파쇄를 야기할 수 있는 자기 압력 및 로렌츠 힘을 견디도록(또는 반작용) 신중하게 설계되어야 합니다.

작동

7 T 수평 보어 초전도 자석, 질량 분석기의 일부자석 자체는 원통형 냉동고 안에 있습니다.

전원공급장치

코일 권선에 공급되는 전류는 고전류, 매우 낮은 전압 DC 전원에 의해 공급됩니다. 정상 상태에서는 공급 와이어의 저항으로 인해 자석 전체의 유일한 전압이 발생하기 때문입니다.자석을 통한 전류의 변화는 매우 천천히 이루어져야 합니다. 첫째, 전기적으로 자석은 큰 인덕터이고 급격한 전류 변화는 권선을 가로지르는 큰 전압 스파이크를 초래하기 때문입니다.더 중요한 것은 전류의 급격한 변화가 전류의 와전류 및 권선의 기계적 응력을 유발할 수 있기 때문입니다(아래 참조).따라서 전원 공급 장치는 일반적으로 마이크로프로세서에 의해 제어되며 완만한 경사로에서 점진적으로 전류 변화를 이루도록 프로그래밍됩니다.실험실 크기의 자석에 전원을 공급하거나 전원을 끄는데 보통 몇 분 정도 걸립니다.

영속 모드

대부분의 초전도 자석이 사용하는 대체 작동 모드는 자석이 통전되면 초전도체 조각으로 권선을 단락시키는 것입니다.권선이 폐쇄된 초전도 루프가 되고 전원 공급이 차단될 수 있으며 지속적인 전류가 수개월 동안 흐르며 자기장이 유지됩니다.이 영구 모드의 장점은 최고의 전원 공급 장치로 달성할 수 있는 것보다 자기장의 안정성이 더 뛰어나며 권선에 동력을 공급하는 데 에너지가 필요하지 않다는 것입니다.단락은 권선 끝을 가로질러 연결된 자석 내부의 초전도체 조각인 '영구 스위치'가 작은 히터에 부착하여 이루어집니다.[5]자석을 처음 켜면 스위치 와이어가 전이 온도 이상으로 가열되므로 저항성이 있습니다.권선 자체에 저항이 없기 때문에 스위치 와이어에 전류가 흐르지 않습니다.지속 모드로 전환하려면 원하는 자기장을 얻을 때까지 공급 전류를 조정한 다음 히터를 끕니다.영구 스위치는 초전도 온도로 냉각되어 권선을 단락시킵니다.그러면 전원 공급 장치가 꺼질 수 있습니다.권선 전류와 자기장은 실제로 영원히 지속되는 것이 아니라 정상적인 유도 시간 상수(L/R)에 따라 천천히 붕괴됩니다.

여기서 은 접합부 또는 플럭스 운동 저항이라 불리는 현상으로 인한 초전도 권선의 작은 잔류 저항입니다.거의 모든 상업용 초전도 자석에는 영구 스위치가 장착되어 있습니다.

자석 소광

퀀치는 초전도 코일의 일부가 정상(저항) 상태로 들어갈 때 발생하는 자석 작동의 비정상적인 종료입니다.이는 자석 내부의 계자가 너무 크거나, 계자의 변화 속도가 너무 크거나(구리 지지 매트릭스에 와전류와 결과 발열을 유발), 또는 둘의 조합으로 발생하기 때문에 발생할 수 있습니다.자석에 결함이 있는 경우에는 소광이 발생할 수 있습니다.이런 일이 일어나면, 그 특정 지점은 거대한 전류로부터 급격한 줄 가열을 받게 되고, 이는 주변 지역의 온도를 상승시킵니다.이것은 또한 그 지역들을 정상 상태로 밀어 넣는데, 이것은 연쇄 반응에서 더 많은 가열로 이어집니다.전체 자석이 빠르게 정상 상태가 됩니다(초전도 코일의 크기에 따라 몇 초가 걸릴 수 있습니다).이것은 자기장 안의 에너지가 열로 전환될 때 큰 쾅 소리와 극저온 유체의 급속한 증발을 동반합니다.전류의 급격한 감소는 킬로볼트 유도 전압 스파이크와 아크를 발생시킬 수 있습니다.자석이 영구적으로 손상되는 경우는 드물지만 국부적인 가열, 고전압 또는 큰 기계적 힘에 의해 부품이 손상될 수 있습니다.실제로 자석에는 보통 퀀치의 시작이 감지되면 전류를 정지시키거나 제한하는 안전 장치가 있습니다.대형 자석이 켄칭(Quench)을 겪을 경우 증발하는 극저온 유체에 의해 형성된 비활성 증기가 호흡 가능한 공기를 대체하여 작동자에게 상당한 질식 위험을 초래할 수 있습니다.

CERN의 Large Hadron Collider에 있는 초전도 자석의 대부분은 2008년에 시운전 중에 예기치 않게 퀀칭되어 많은 자석을 교체해야 했습니다.[6]LHC를 구성하는 초전도 자석에는 복잡한 퀀치 보호 시스템에 의해 퀀치 이벤트가 감지되면 활성화되는 고속 램핑 히터가 장착되어 파괴 가능성이 있는 퀀치를 방지합니다.다이폴 벤딩 자석들이 직렬로 연결됨에 따라, 각각의 전력 회로는 154개의 개별 자석들을 포함하고, 켄칭 이벤트가 발생할 경우, 이 자석들의 결합된 저장된 전체 에너지는 한 번에 덤프되어야 합니다.이 에너지는 수 초 만에 저항성 가열로 인해 섭씨 수백도까지 가열되는 거대한 금속 덩어리인 덤프로 전달됩니다.바람직하지는 않지만, 마그넷 켄치는 입자 가속기의 작동 중에 "상당히 일상적인 이벤트"입니다.[7]

자석 "훈련"

특정한 경우, 매우 높은 전류를 위해 설계된 초전도 자석은 자석이 계획된 전류와 자기장에서 작동할 수 있도록 광범위한 침지가 필요합니다.이것은 자석을 "훈련"하는 것으로 알려져 있으며, 물질 기억 효과의 한 종류를 포함합니다.CERN의 Large Hadron Collider와 같은 입자 충돌기의 경우에 이러한 상황이 필요합니다.[8][9]LHC의 자석은 첫 번째 실행 시 8 TeV (2 × 4 TeV), 두 번째 실행 시 14 TeV (2 × 7 TeV)로 실행될 계획이었으나, 처음에는 빔당 각각 3.5 TeV와 6.5 TeV의 낮은 에너지로 작동되었습니다.재료의 초기 결정학적 결함으로 인해 초기에는 설계 전류보다 낮은 수준에서 초전도 능력("퀀치")을 잃게 됩니다.CERN은 이것이 전자기력이 자석에서 작은 움직임을 유발하고, 이는 다시 계획된 전류에 필요한 높은 정밀도로 작동할 때 초전도성을 잃게 만들기 때문이라고 말합니다.[9]자석을 더 낮은 전류로 반복적으로 작동시킨 다음 제어 하에서 퀀칭을 할 때까지 전류를 약간 증가시킴으로써 자석은 퀀칭이 발생하지 않고 설계 사양의 더 높은 전류를 견딜 수 있는 필요한 능력을 점진적으로 얻고 그러한 문제를 "흔들리게" 합니다.최종적으로 급전 없이 계획된 전류로 안정적으로 작동할 수 있을 때까지.[9]

역사

1911년 하이케 카메를링 오네스가 초전도성을 발견한 직후 초전도 와이어로 전자석을 만드는 아이디어가 제안되었지만, 실용적인 초전도 전자석은 높은 자기장에서 큰 임계 초전류 밀도를 지원할 수 있는 초전도 물질의 발견을 기다려야 했습니다.최초의 성공적인 초전도 자석은 1955년 G.B. Yintema에 의해 니오븀 와이어를 사용하여 만들어졌고 4.2K에서 0.7T의 자기장을 얻었습니다.[10]1961년 J.E. Kunzler, E.뷸러,[11] F.S.L. Hsu, J.H. 워닉은 니오븀과 주석의 화합물이 8.8테슬라의 자기장에서 제곱센티미터당 100,000암페어 이상의 임계-초전류 밀도를 지원할 수 있다는 사실을 발견했습니다.니오븀-주석은 부서지기 쉬운 성질에도 불구하고 자기장을 20T까지 발생시키는 초자석에 매우 유용하다는 것이 증명되었습니다.

영구 스위치는 1960년에 드와이트 아담스가 스탠퍼드 대학의 박사후 연구원 시절에 발명했습니다.두 번째 영구 스위치는 플로리다 대학에서 M.S. 학생 R.D.에 의해 제작되었습니다.1963년의 리히티.그것은 UF 물리학 빌딩의 전시회에 보존되어 있습니다.

1962년 T.G. 베를린코트와 R.R. 하케는[12] 니오븀-티타늄 합금의 높은 임계 자기장, 높은 임계 초전류 밀도 특성을 발견했습니다.니오븀-티타늄 합금은 니오븀-주석에 비해 초전도 특성이 뛰어나지 않지만, 연성이 뛰어나고 제작이 용이하며 경제적입니다.최대 10테슬라의 자기장을 발생시키는 슈퍼자석에 유용한 니오븀-티타늄 합금은 가장 널리 사용되는 슈퍼자석 재료입니다.

1986년 게오르크 베드노르츠와 카를 뮐러가 고온 초전도체를 발견하면서 헬륨으로 작업하기 어려운 대신 액체 질소로 냉각될 수 있는 자석의 가능성이 높아졌습니다.

2007년 YBCO의 권선이 달린 자석은 26.8T의 세계 기록을 달성했습니다.[13]미국 국립연구위원회는 30테슬라 초전도 자석을 개발할 계획입니다.

Yoon 등은 2016년 GdBaCuO로237–x 제작한 26T 무절연 초전도 자석을 2013년에 발표한 [14]바 있습니다.[15]

2017년, 미국 국립 고자기장 연구소(NHMFL)가 만든 YBCO 자석은 32T의 강도로 이전 세계 기록을 깼습니다.이것은 수십 년 동안 지속되도록 설계된 모두 초전도 사용자 자석입니다.그들은 2018년 3월 현재 기록을 보유하고 있습니다.

2019년에는 전기공학연구소, 중국과학원(IEEE, CAS)이 초전도 자석으로 32.35T의 세계 신기록을 달성했습니다.[16]HTS 인서트 마그넷에 대해서도 무절연 기술이 사용됩니다.

또한 2019년 NHMFL은 저항성 자석과 결합된 비절연 YBCO 테스트 코일을 개발하여 45.5T의 자석 구성 중 가장 높은 연속 자기장을 기록한 연구소의 세계 기록을 깼습니다.[17][18]

2022년 허페이 물리과학연구소(HFIPS, CAS)는 45.22T의 가장 강력한 안정 자기장 세계 신기록을 달성한 반면,[19][20] 2019년 NHMFL 45.5T 기록은 실제로 자석이 급냉에서 즉시 실패했을 때 달성되었다고 주장합니다.

사용하다

초전도 자석을 이용한 MRI 기계자석은 도넛 모양의 하우징 안에 있고 중앙 구멍 안에 3테슬라 필드를 만들 수 있습니다.

초전도 자석은 저항성 전자석에 비해 많은 장점을 가지고 있습니다.그들은 약 2T의 자기장으로 제한된 일반 강자성 코어 전자석에 의해 생성된 자기장보다 최대 10배 더 강한 자기장을 생성할 수 있습니다.일반적으로 필드가 더 안정적이어서 노이즈가 적은 측정값을 얻을 수 있습니다.그것들은 더 작아질 수 있고, 필드가 만들어지는 자석의 중심의 부분은 철심에 의해 차지되기 보다는 비어 있습니다.가장 중요한 것은, 대형 자석의 경우 훨씬 적은 전력을 소비할 수 있다는 것입니다.영구 상태(위)에서 자석이 소비하는 전력은 극저온을 유지하기 위한 냉동 장비에 필요한 것뿐입니다.그러나 초전도 코일이 높은 필드에서 정상(비초전도) 상태(위의 켄치 참조)로 진입하기 때문에 특수 냉각 저항성 전자석을 사용하면 더 높은 필드를 얻을 수 있습니다.40T 이상의 안정적인 필드는 현재 전 세계의 많은 기관에서 일반적으로 Bitter 전자석과 초전도 자석(종종 인서트)을 결합하여 달성할 수 있습니다.

초전도 자석은 MRI 기계, NMR 장비, 질량 분석기, 자기 분리 공정 및 입자 가속기 등에 널리 사용됩니다.

일본에서, 일본국유철도와 후에 중앙일본철도(JR 센트럴)에 의한 초전도 자기부상에 대한 수십 년간의 연구와 개발 끝에, 일본 정부는 도쿄에서 나고야까지 그리고 후에 오사카까지 연결하는 주오 신칸센의 건설을 JR 센트럴에 허가했습니다.

SC 자석의 가장 어려운 용도 중 하나는 LHC 입자 가속기입니다.[21]니오븀-티타늄(Nb-Ti) 자석은 1.9K에서 작동하여 8.3T로 안전하게 작동합니다. 각 자석은 7 MJ를 저장합니다. 총 자석은 10.4 GJ를 저장합니다. 양성자가 450 GeV에서 7 TeV로 가속되면 초전도 굽힘 자석의 장이 0.54 T에서 8.3 T로 증가합니다.

ITER 융합 원자로를 위해 설계된 중심 솔레노이드와 토로이드 장 초전도 자석은 니오븀-주석(NbSn3)을 초전도체로 사용합니다.중앙 솔레노이드 코일은 46kA를 운반하고 13.5T의 필드를 생성합니다.최대 11.8T 필드에서 18개의 토로이달 필드 코일에는 41GJ(총?)[clarification needed]가 저장됩니다.그들은 80kA의 기록적인 테스트를 받았습니다.다른 하부 필드 ITER 자석(PF 및 CC)은 니오븀-티타늄을 사용합니다.대부분의 ITER 자석은 시간당 몇 번씩 필드가 변화합니다.

고해상도 질량분석기 한 대는 21테슬라 SC 자석을 사용할 계획이었습니다.[22]현재 HTS 자석으로 2020년 1.2 GHz(28[23].2T) NMR 자석을 제작 중이며, 1.3 GHz NMR 자석을 제작 중에 있습니다.[24]

2014년 전 세계적으로 약 50억 유로 규모의 경제활동이 이루어졌는데, 이는 초전도성이 필수불가결한 것입니다.[25]대부분 니오븀-티타늄을 사용하는 MRI 시스템이 전체의 약 80%를 차지했습니다.

참고 항목

참고문헌

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  2. ^ Gifford, W. E.; Longsworth, R. C. (1965), Surface heat pumping, Adv. Cryog. Eng. 11, 171
  3. ^ Longsworth, R. C. (1967), An experimental investigation of pulse tube refrigeration heat pumping rate, Adv. Cryog. Eng. 12, 608
  4. ^ Matsubara, Yoichi (1994), "Pulse Tube Refrigerator", Transactions of the Japan Society of Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Transactions of the Japan Society of Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Volume 11, Issue 2, pp. 89-99, 11 (2): 89, Bibcode:2011TRACE..11...89M
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추가열람

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  • 하비보 브레치나, 초전도 자석 시스템, 뉴욕, 스프링거-베를라그 뉴욕, 1973, ISBN 3-540-06103-7, ISBN 0-387-06103-7

외부 링크