مغناطيس فائق التوصيل

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 5 صور
الموسوعة الحرة
رسم تخطيطي لمغناطيس فائق التوصيل بقوة 20 تسلا ذي تجويف رأسي

المغناطيس فائق التوصيل هو مغناطيس كهربائي مصنوع من ملفات سلك فائق التوصيل . يجب تبريده إلى درجات حرارة منخفضة للغاية أثناء التشغيل. في حالته فائقة التوصيل، ينعدم مقاومة السلك للكهرباء ، وبالتالي يمكنه توصيل تيارات كهربائية أكبر بكثير من الأسلاك العادية، مما يُولّد مجالات مغناطيسية شديدة. يمكن للمغناطيسات فائقة التوصيل إنتاج مجالات مغناطيسية أقوى من جميع المغناطيسات الكهربائية غير فائقة التوصيل باستثناء أقوى المغناطيسات ، كما أن تشغيل المغناطيسات فائقة التوصيل الكبيرة قد يكون أقل تكلفة نظرًا لعدم تبديد الطاقة على شكل حرارة في الملفات. تُستخدم هذه المغناطيسات في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي في المستشفيات، وفي المعدات العلمية مثل مطياف الرنين النووي المغناطيسي ، ومطياف الكتلة ، ومفاعلات الاندماج ، ومسرعات الجسيمات . كما تُستخدم أيضًا في الرفع والتوجيه والدفع في نظام سكك حديدية مغناطيسية معلقة (ماجليف) قيد الإنشاء في اليابان .

بناء

تبريد

أثناء التشغيل، يجب تبريد ملفات المغناطيس إلى ما دون درجة حرارتها الحرجة ، وهي درجة الحرارة التي تتحول عندها مادة الملف من حالتها المقاومة العادية إلى حالة فائقة التوصيل ، وتقع هذه الدرجة ضمن نطاق درجات الحرارة المنخفضة جدًا، أي أقل بكثير من درجة حرارة الغرفة. عادةً ما تُبرّد الملفات إلى درجات حرارة أقل بكثير من درجة حرارتها الحرجة، لأنه كلما انخفضت درجة الحرارة، تحسّن أداء الملفات فائقة التوصيل، حيث يمكنها تحمّل تيارات ومجالات مغناطيسية أعلى دون أن تعود إلى حالتها غير فائقة التوصيل. يُستخدم نوعان من أنظمة التبريد بشكل شائع للحفاظ على ملفات المغناطيس عند درجات حرارة كافية للحفاظ على خاصية التوصيل الفائق:

مبرد بالسوائل

يُستخدم الهيليوم السائل كمبرد للعديد من الملفات فائقة التوصيل. تبلغ درجة غليانه 100 درجة مئوية.4.2 كلفن  ، وهي درجة حرارة أقل بكثير من درجة الحرارة الحرجة لمعظم مواد اللف. يُحفظ المغناطيس ومادة التبريد في وعاء معزول حراريًا ( ديوار ) يُسمى المبرد . ولمنع تبخر الهيليوم، يُصنع المبرد عادةً بغلاف خارجي يحتوي على نيتروجين سائل (أرخص بكثير) عند 77  كلفن. بدلاً من ذلك، يُوضع درع حراري مصنوع من مادة موصلة، ويُحافظ على درجة حرارته ضمن نطاق 40-60  كلفن  ، ويُبرد بواسطة وصلات موصلة برأس التبريد المبرد، حول الوعاء المملوء بالهيليوم للحفاظ على مدخلات الحرارة إلى الأخير عند مستوى مقبول. أحد أهداف البحث عن الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية هو بناء مغناطيسات يمكن تبريدها بالنيتروجين السائل فقط. عند درجات حرارة أعلى من 20  كلفن تقريبًا، يمكن تحقيق التبريد دون تبخر السوائل المبردة.

التبريد الميكانيكي

نظراً لارتفاع التكلفة وتناقص توافر الهيليوم السائل، تُبرَّد العديد من الأنظمة فائقة التوصيل باستخدام التبريد الميكانيكي ثنائي المراحل . وبشكل عام، يُستخدم نوعان من المبردات الميكانيكية ذات قدرة تبريد كافية للحفاظ على درجة حرارة المغناطيسات دون درجة حرارتها الحرجة. يتوفر مبرد جيفورد-ماكماهون تجارياً منذ ستينيات القرن الماضي، وقد انتشر استخدامه على نطاق واسع. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] تعمل دورة التجديد GM في المبرد باستخدام مُزيح من نوع المكبس ومبادل حراري. في المقابل، شهد عام 1999 أول تطبيق تجاري لمبرد أنبوب النبض . وقد أصبح هذا التصميم من المبردات شائعاً بشكل متزايد نظراً لانخفاض الاهتزازات وطول فترة الخدمة، حيث تستخدم تصاميم أنبوب النبض عملية صوتية بدلاً من الإزاحة الميكانيكية. في ثلاجة نموذجية ثنائية المراحل، توفر المرحلة الأولى قدرة تبريد أعلى ولكن عند درجة حرارة أعلى (≈ 77 كلفن)، بينما تصل المرحلة الثانية إلى ≈ 4.2 كلفن و <     قدرة تبريد تبلغ 2.0 واط  . عند الاستخدام، تُستخدم المرحلة الأولى بشكل أساسي للتبريد الإضافي للمبرد، بينما تُستخدم المرحلة الثانية بشكل أساسي لتبريد المغناطيس.

مواد لف الملفات

يُحدَّد الحد الأقصى للمجال المغناطيسي الذي يمكن تحقيقه في مغناطيس فائق التوصيل بالمجال الذي تتوقف عنده مادة اللف عن كونها فائقة التوصيل، وهو ما يُعرف بـ"المجال الحرج" ( H <sub>c</sub> )، والذي يُمثل في حالة الموصلات الفائقة من النوع الثاني المجال الحرج العلوي . ومن العوامل المحددة الأخرى "التيار الحرج" ( I <sub>c</sub> )، الذي تتوقف عنده مادة اللف أيضًا عن كونها فائقة التوصيل. وقد ركزت التطورات في مجال المغناطيس على ابتكار مواد لف أفضل.

تتكون الأجزاء فائقة التوصيل في معظم المغناطيسات الحالية من النيوبيوم والتيتانيوم . تتميز هذه المادة بدرجة حرارة حرجة تبلغ 10 كلفن، ويمكنها أن تصبح فائقة التوصيل عند درجات حرارة تصل إلى حوالي 1000 كلفن.١٥ تسلا  . يمكن تصنيع مغناطيسات أغلى ثمناً من النيوبيوم والقصدير (Nb₃Sn ) . تبلغ درجة حرارة التشغيل الحرجة (Tc ) لهذه المغناطيسات ١٨  كلفن. عند تشغيلها عند ٤.٢  كلفن، تستطيع تحمل شدة مجال مغناطيسي أعلى بكثير ، تصل إلى ٢٥  أو ٣٠  تسلا. مع ذلك، يُعدّ تصنيع الخيوط المطلوبة من هذه المادة أكثر صعوبة. لهذا السبب، يُستخدم أحيانًا مزيج من النيوبيوم والقصدير (Nb₃Sn ) للأجزاء ذات المجال العالي، والنيوبيوم والتيتانيوم (NbTi) للأجزاء ذات المجال المنخفض. يُعدّ الفاناديوم والغاليوم مادة أخرى تُستخدم في الأجزاء الداخلية ذات المجال العالي.

يمكن استخدام الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية (مثل BSCCO أو YBCO ) في الحشوات ذات المجال المغناطيسي العالي عندما تكون المجالات المغناطيسية المطلوبة أعلى مما يمكن أن يتحمله Nb3Sn . كما يمكن استخدام BSCCO أو YBCO أو ثنائي بوريد المغنيسيوم في موصلات التيار، حيث تنقل تيارات عالية من درجة حرارة الغرفة إلى المغناطيس البارد دون حدوث تسرب حراري كبير من الموصلات المقاومة.

بنية الموصل

تُصنع لفائف المغناطيس فائق التوصيل من أسلاك أو شرائط من موصلات فائقة من النوع الثاني (مثل النيوبيوم-التيتانيوم أو النيوبيوم-القصدير ). قد يتكون السلك أو الشريط نفسه من خيوط دقيقة (بسمك حوالي 20 ميكرومترًا ) من الموصل الفائق ضمن مصفوفة نحاسية . يُستخدم النحاس لتعزيز الاستقرار الميكانيكي، وتوفير مسار منخفض المقاومة للتيارات العالية في حال ارتفاع درجة الحرارة فوق درجة الحرارة الحرجة (Tc ) أو ارتفاع التيار فوق التيار الحرج (Ic ) وفقدان خاصية التوصيل الفائق. يجب أن تكون هذه الخيوط بهذا الصغر لأن التيار في هذا النوع من الموصلات الفائقة يتدفق فقط في طبقة سطحية لا يتجاوز سمكها عمق اختراق لندن (انظر تأثير الجلد ). يجب تصميم الملف بعناية لتحمل (أو مقاومة) الضغط المغناطيسي وقوى لورنتز التي قد تتسبب في كسر السلك أو سحق العازل بين اللفات المتجاورة.

عملية

مغناطيس فائق التوصيل ذو تجويف أفقي بقوة 7 تسلا ، وهو جزء من مطياف الكتلة. يقع المغناطيس نفسه داخل المبرد الأسطواني.

مزود الطاقة

يتم تزويد ملفات المغناطيس بالتيار بواسطة مصدر طاقة تيار مستمر عالي التيار ومنخفض الجهد للغاية ، حيث أن الجهد الوحيد عبر المغناطيس في حالة الاستقرار ناتج عن مقاومة أسلاك التغذية. يجب أن يتم أي تغيير في التيار المار عبر المغناطيس ببطء شديد، أولًا لأن المغناطيس كهربائيًا عبارة عن محث كبير ، وأي تغيير مفاجئ في التيار سيؤدي إلى ارتفاع حاد في الجهد عبر الملفات، والأهم من ذلك أن التغيرات السريعة في التيار قد تُسبب تيارات دوامية وإجهادات ميكانيكية في الملفات، مما قد يؤدي إلى انطفاء مفاجئ (انظر أدناه). لذلك، عادةً ما يكون مصدر الطاقة مُتحكمًا به بواسطة معالج دقيق، ومُبرمجًا لإجراء تغييرات التيار تدريجيًا، على شكل منحنيات سلسة. يستغرق الأمر عادةً عدة دقائق لتنشيط أو إيقاف تشغيل مغناطيس بحجم المختبر.

الوضع المستمر

يتمثل أحد أنماط التشغيل البديلة المستخدمة في معظم المغناطيسات فائقة التوصيل في توصيل ملفات المغناطيس بقطعة من مادة فائقة التوصيل بمجرد تشغيل المغناطيس. تُشكل الملفات حلقة توصيل فائقة مغلقة، ويمكن إيقاف تشغيل مصدر الطاقة، ويستمر تدفق التيارات لعدة أشهر، مما يحافظ على المجال المغناطيسي. وتكمن ميزة هذا النمط المستمر في أن استقرار المجال المغناطيسي فيه أفضل مما يمكن تحقيقه باستخدام أفضل مصادر الطاقة، كما أنه لا يتطلب طاقة لتشغيل الملفات. يتم التوصيل بواسطة "مفتاح مستمر"، وهو عبارة عن قطعة من مادة فائقة التوصيل داخل المغناطيس موصولة بين طرفي الملفات، ومتصلة بسخان صغير. [ 5 ] عند تشغيل المغناطيس لأول مرة، يسخن سلك المفتاح إلى درجة حرارة أعلى من درجة حرارة انتقاله، مما يجعله مقاومًا. ولأن الملفات نفسها لا تُظهر مقاومة، لا يمر تيار عبر سلك المفتاح. وللانتقال إلى النمط المستمر، يتم ضبط تيار الإمداد حتى يتم الحصول على المجال المغناطيسي المطلوب، ثم يتم إيقاف تشغيل السخان. يبرد المفتاح المستمر إلى درجة حرارته الفائقة التوصيل، مما يؤدي إلى قصر الدائرة في الملفات. عندئذٍ يمكن إيقاف تشغيل مصدر الطاقة. لن يستمر تيار الملف، والمجال المغناطيسي، إلى الأبد، بل سيتلاشى ببطء وفقًا لثابت زمني حثي طبيعي ( L / R ).

ح(ت)=ح0هـ-(R/ل)ت،{\displaystyle H(t)=H_{0}e^{-(R/L)t},}

أينR{\displaystyle R}هي مقاومة متبقية صغيرة في الملفات فائقة التوصيل ناتجة عن الوصلات أو ظاهرة تُسمى مقاومة حركة التدفق. جميع المغناطيسات فائقة التوصيل التجارية تقريبًا مزودة بمفاتيح ثابتة.

إن السخان ليس أكثر من عنصر مقاوم صغير يسخن بفعل تأثير جول؛ من الناحية العملية، يجب تشغيله بواسطة مصدر تيار خارجي يتم التحكم فيه، وعادة ما يوفر بضع عشرات من الميلي أمبير عند بضعة فولتات، من أجل تشغيل المفتاح فائق التوصيل فوق درجة حرارة انتقاله.

إخماد المغناطيس

الانطفاء هو توقف غير طبيعي لعمل المغناطيس يحدث عندما يدخل جزء من الملف فائق التوصيل في الحالة الطبيعية ( المقاومة ). قد يحدث هذا بسبب شدة المجال المغناطيسي داخل المغناطيس، أو بسبب سرعة تغير المجال (مما يُسبب تيارات دوامية وتسخينًا في مصفوفة الدعم النحاسية)، أو مزيج من الاثنين. وفي حالات نادرة ، قد يتسبب عيب في المغناطيس في حدوث الانطفاء. عندئذٍ، تتعرض تلك البقعة تحديدًا لتسخين جول سريع ناتج عن التيار الهائل، مما يرفع درجة حرارة المناطق المحيطة. يدفع هذا التسخين تلك المناطق إلى الحالة الطبيعية أيضًا، مما يؤدي إلى مزيد من التسخين في تفاعل متسلسل. يعود المغناطيس بأكمله إلى حالته الطبيعية بسرعة (قد يستغرق هذا عدة ثوانٍ، اعتمادًا على حجم الملف فائق التوصيل). يصاحب ذلك دوي انفجار عالٍ نتيجة تحول الطاقة في المجال المغناطيسي إلى حرارة، وتبخر سريع للسائل المبرد . قد يؤدي الانخفاض المفاجئ في التيار إلى ارتفاعات مفاجئة في الجهد الاستقرائي بالكيلوفولت وظهور شرارات كهربائية. نادرًا ما يحدث تلف دائم للمغناطيس، لكن قد تتضرر مكوناته نتيجة التسخين الموضعي أو الفولتية العالية أو القوى الميكانيكية الكبيرة. عمليًا، تحتوي المغناطيسات عادةً على أجهزة أمان لإيقاف التيار أو الحد منه عند اكتشاف بداية انطفاء المغناطيس. في حال تعرض مغناطيس كبير لانطفاء مفاجئ، فإن البخار الخامل المتكون من تبخر السائل المبرد قد يشكل خطرًا كبيرًا للاختناق على المشغلين، إذ يحل محل الهواء القابل للتنفس.

تعرض جزء كبير من المغناطيسات فائقة التوصيل في مصادم الهادرونات الكبير التابع لمركز سيرن لانطفاء مفاجئ أثناء عمليات بدء التشغيل عام 2008، مما استدعى استبدال عدد من المغناطيسات. [ 6 ] وللحد من مخاطر الانطفاءات المدمرة المحتملة، زُودت المغناطيسات فائقة التوصيل التي تُشكل مصادم الهادرونات الكبير بسخانات سريعة التسخين تُفعّل بمجرد اكتشاف حدث انطفاء بواسطة نظام الحماية المعقد. ونظرًا لأن مغناطيسات الانحناء ثنائية القطب موصولة على التوالي، فإن كل دائرة طاقة تتضمن 154 مغناطيسًا فرديًا، وفي حال حدوث انطفاء، يجب تفريغ كامل الطاقة المخزنة لهذه المغناطيسات دفعة واحدة. تُنقل هذه الطاقة إلى كتل معدنية ضخمة ترتفع درجة حرارتها إلى عدة مئات من الدرجات المئوية نتيجة التسخين المقاوم، في غضون ثوانٍ. وعلى الرغم من أن انطفاء المغناطيسات أمر غير مرغوب فيه، إلا أنه يُعد "حدثًا روتينيًا نسبيًا" أثناء تشغيل مُسرّع الجسيمات. [ 7 ]

تُكتشف أحداث الانطفاء بواسطة أنظمة كشف الانطفاء المتخصصة (QDS)، التي تراقب الجهد الكهربائي عبر أجزاء مختلفة من ملف فائق التوصيل. عندما يصبح جزء من الملف مقاومًا، ينشأ اختلال في الجهد بين أجزاء الملف؛ إذا تجاوز هذا الاختلال عتبة محددة مسبقًا، يتم تفعيل نظام الحماية من الانطفاء. بمجرد تأكيد حدوث الانطفاء، تُفعّل إلكترونيات الحماية سخانات أو دوائر تبديد الطاقة لتوزيع واستخراج الطاقة المغناطيسية المخزنة بأمان، مما يقلل من خطر التلف. [ 8 ]

التدريب المغناطيسي

في بعض الحالات، تتطلب المغناطيسات فائقة التوصيل المصممة لتيارات عالية جدًا فترة تهيئة مكثفة لتمكينها من العمل بكامل طاقتها من حيث التيار والمجال. تُعرف هذه العملية بـ"تدريب" المغناطيس، وتتضمن نوعًا من تأثير ذاكرة المادة. ومن الأمثلة على ذلك مصادمات الجسيمات مثل مصادم الهادرونات الكبير (LHC ) التابع لمركز سيرن . [ 9 ] [ 10 ] كان من المخطط أن تعمل مغناطيسات LHC بطاقة 8 تيرا إلكترون فولت (2 × 4 تيرا إلكترون فولت) في تشغيلها الأول، و14 تيرا إلكترون فولت (2 × 7 تيرا إلكترون فولت) في تشغيلها الثاني، ولكنها شُغّلت في البداية بطاقة أقل تبلغ 3.5 تيرا إلكترون فولت و6.5 تيرا إلكترون فولت لكل حزمة على التوالي. وبسبب العيوب البلورية الأولية في المادة، ستفقد هذه المغناطيسات قدرتها على التوصيل الفائق ("انطفاء") في البداية عند مستوى أقل من تيارها التصميمي. يُشير مركز سيرن إلى أن هذا يعود إلى القوى الكهرومغناطيسية التي تُسبب حركات دقيقة في المغناطيسات، مما يؤدي بدوره إلى فقدان خاصية التوصيل الفائق عند التشغيل بالدقة العالية المطلوبة للتيار المُخطط له. [ 10 ] من خلال تشغيل المغناطيسات بشكل متكرر بتيار منخفض ثم زيادة التيار تدريجيًا حتى تخمد بشكل مُتحكم فيه، سيكتسب المغناطيس تدريجيًا القدرة المطلوبة لتحمل التيارات الأعلى المُحددة في مواصفات تصميمه دون حدوث أي انطفاء، وسيتم التخلص من أي مشاكل من هذا القبيل، إلى أن يصبح قادرًا في النهاية على العمل بشكل موثوق بكامل التيار المُخطط له دون التعرض للانطفاء. [ 10 ]        

تاريخ

على الرغم من أن فكرة صنع المغناطيسات الكهربائية باستخدام الأسلاك فائقة التوصيل قد اقترحها هايك كامرلينغ أونيس بعد فترة وجيزة من اكتشافه ظاهرة التوصيل الفائق عام 1911، إلا أن المغناطيس الكهربائي فائق التوصيل العملي لم يُصنع إلا بعد اكتشاف مواد فائقة التوصيل قادرة على دعم كثافات تيار فائق حرجة عالية في مجالات مغناطيسية قوية. وقد بنى جي بي ينتيما أول مغناطيس فائق التوصيل ناجح عام 1955 باستخدام سلك من النيوبيوم ، وحقق مجالًا مغناطيسيًا قدره 0.7  تسلا عند درجة حرارة 4.2  كلفن. [ 11 ] ثم، في عام 1961، اكتشف كل من جيه إي كونزلر ، وإي بوهلر، وإف إس إل هسو، وجيه إتش ويرنيك أن مركبًا من النيوبيوم والقصدير قادر على دعم كثافات تيار فائق حرجة تتجاوز 100,000 أمبير لكل سنتيمتر مربع في مجالات مغناطيسية تبلغ 8.8 تسلا. [ 12 ] على الرغم من طبيعته الهشة، فقد أثبت النيوبيوم والقصدير منذ ذلك الحين فائدته الكبيرة في المغناطيسات الفائقة التي تولد مجالات مغناطيسية تصل إلى 20  تسلا.

اخترع دوايت آدامز المفتاح الدائم عام 1960 أثناء عمله كباحث ما بعد الدكتوراه في جامعة ستانفورد. أما المفتاح الدائم الثاني، فقد صنعه طالب الماجستير آر دي ليتشي في جامعة فلوريدا عام 1963، وهو محفوظ الآن في واجهة عرض بمبنى الفيزياء بالجامعة.

في عام 1962، اكتشف تي جي بيرلينكورت وآر آر هاك [ 13 ] خصائص سبائك النيوبيوم والتيتانيوم، والتي تتميز بمجال مغناطيسي حرج عالٍ وكثافة تيار فائق حرجة عالية. ورغم أن خصائص التوصيل الفائق في هذه السبائك أقل إثارة من تلك الموجودة في سبائك النيوبيوم والقصدير، إلا أنها تتميز بمرونة عالية وسهولة التصنيع وانخفاض التكلفة. وتُعد سبائك النيوبيوم والتيتانيوم من أكثر مواد المغناطيس الفائق استخدامًا، حيث تُستخدم في المغناطيسات الفائقة التي تولد مجالات مغناطيسية تصل إلى 10 تسلا.

في عام 1986، أدى اكتشاف الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية بواسطة جورج بيدنورز وكارل مولر إلى تنشيط المجال، مما أثار إمكانية وجود مغناطيسات يمكن تبريدها بواسطة النيتروجين السائل بدلاً من الهيليوم الذي يصعب التعامل معه.

في عام 2007، حقق مغناطيس ذو لفائف من YBCO رقماً قياسياً عالمياً في مجال مغناطيسي قدره26.8 تسلا  . [ 14 ] كان لدى المجلس الوطني للبحوث في الولايات المتحدة هدف يتمثل في إنشاء مغناطيس فائق التوصيل بقوة 30 تسلا.

على الصعيد العالمي في عام 2014، نتج عن استخدام الموصلية الفائقة نشاط اقتصادي بقيمة ستة مليارات دولار أمريكي تقريباً. وشكّلت أنظمة التصوير بالرنين المغناطيسي، التي يستخدم معظمها النيوبيوم والتيتانيوم، حوالي 80% من هذا الإجمالي. [ 15 ]

في عام 2016، أبلغ يون وآخرون عن  مغناطيس فائق التوصيل بدون عزل بقوة 26 تسلا قاموا ببنائه من GdBa 2 Cu 3 O 7– x ، [ 16 ] باستخدام تقنية تم الإبلاغ عنها سابقًا في عام 2013. [ 17 ]

في عام 2017، حطم مغناطيس YBCO، الذي ابتكره المختبر الوطني للمجالات المغناطيسية العالية (NHMFL)، الرقم القياسي العالمي السابق بقوة 32  تسلا. هذا المغناطيس فائق التوصيل بالكامل، مصمم ليدوم لعقود طويلة. وقد احتفظوا بالرقم القياسي حتى مارس 2018.

 في عام 2019، حقق معهد الهندسة الكهربائية التابع للأكاديمية الصينية للعلوم (IEE, CAS) رقماً قياسياً عالمياً جديداً بلغ 32.35 تسلا باستخدام مغناطيس فائق التوصيل بالكامل. [ 18 ] كما تُستخدم تقنية عدم العزل لمغناطيس الإدخال فائق التوصيل ذي درجة الحرارة العالية.

في عام 2019، قام مختبر NHMFL أيضًا بتطوير ملف اختبار YBCO غير معزول مقترن بمغناطيس مقاوم وحطم الرقم القياسي العالمي للمختبر لأعلى مجال مغناطيسي مستمر لأي تكوين مغناطيسي عند 45.5  تسلا. [ 19 ] [ 20 ]

تم تحقيق مغناطيس NMR بتردد 1.2  جيجاهرتز (28.2 تسلا) [ 21 ] في عام 2020 باستخدام مغناطيس HTS . [ 22 ] 

في عام 2022، ادعى معهد خفي للعلوم الفيزيائية التابع للأكاديمية الصينية للعلوم (HFIPS, CAS) تحقيق رقم قياسي عالمي جديد لأقوى مجال مغناطيسي ثابت  بلغ 45.22 تسلا، [ 23 ] [ 24 ] في حين أن الرقم القياسي السابق لـ NHMFL البالغ 45.5  تسلا في عام 2019 قد تم تحقيقه بالفعل عندما فشل المغناطيس على الفور في انطفاء مفاجئ .

الاستخدامات

جهاز تصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) يستخدم مغناطيسًا فائق التوصيل. يقع المغناطيس داخل غلاف على شكل حلقة ويمكنه توليد مجال مغناطيسي بقوة 3 تسلا داخل الفتحة المركزية.

تتمتع المغناطيسات فائقة التوصيل بعدة مزايا مقارنةً بالمغناطيسات الكهربائية المقاومة . فهي قادرة على توليد مجالات مغناطيسية أقوى بكثير من تلك التي تولدها المغناطيسات الكهربائية ذات النواة الحديدية ، والتي تقتصر على مجالات تبلغ حوالي 2  تسلا. كما أن المجال الناتج عنها أكثر استقرارًا بشكل عام، مما ينتج عنه قياسات أقل تشويشًا. ويمكن تصنيعها بأحجام أصغر، وتكون المنطقة المركزية التي يتولد فيها المجال فارغة بدلًا من أن تشغلها نواة حديدية. وتستهلك المغناطيسات الكبيرة طاقة أقل بكثير. في الحالة المستمرة (الموضحة أعلاه)، تقتصر الطاقة التي يستهلكها المغناطيس على تلك اللازمة لمعدات التبريد. ويمكن الحصول على مجالات أعلى باستخدام المغناطيسات الكهربائية المقاومة المبردة، حيث تدخل الملفات فائقة التوصيل في حالة عدم التوصيل الفائق عند المجالات العالية. ويمكن تحقيق مجالات مستقرة تزيد عن 40 تسلا، عادةً من خلال دمج مغناطيس كهربائي من نوع بيتر مع مغناطيس فائق التوصيل (غالبًا كوحدة إضافية).

تُستخدم المغناطيسات فائقة التوصيل على نطاق واسع في أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي ، ومعدات الرنين المغناطيسي النووي ، وأجهزة قياس الطيف الكتلي ، وعمليات الفصل المغناطيسي، ومسرعات الجسيمات .

النقل بالسكك الحديدية

في اليابان، وبعد عقود من البحث والتطوير في مجال القطارات المغناطيسية فائقة التوصيل من قبل السكك الحديدية الوطنية اليابانية ولاحقاً شركة سكك حديد وسط اليابان (JR Central)، منحت الحكومة اليابانية شركة JR Central الإذن ببناء خط تشوو شينكانسن ، الذي يربط طوكيو بناغويا ولاحقاً بأوساكا.

مسرع الجسيمات

يُعدّ استخدام المغناطيسات فائقة التوصيل في مُسرِّع الجسيمات LHC أحد أكثر استخداماتها تحديًا . [ 25 ] تعمل مغناطيسات النيوبيوم-التيتانيوم (Nb-Ti) عند درجة حرارة 1.9  كلفن لضمان تشغيلها بأمان عند 8.3  تسلا. يخزن كل مغناطيس 7  ميغا جول. وبذلك، يبلغ إجمالي الطاقة التي تخزنها المغناطيسات10.4  جيجا جول . مرة أو مرتين في اليوم، مع تسارع البروتونات من 450  جيجا إلكترون فولت إلى 7  تيرا إلكترون فولت، يزداد مجال المغناطيسات المنحنية فائقة التوصيل من 0.54  تسلا إلى 8.3  تسلا.

مفاعل الاندماج

تستخدم المغناطيسات فائقة التوصيل ذات الملف اللولبي المركزي والمجال الحلقي، المصممة لمفاعل الاندماج ITER، النيوبيوم-القصدير (Nb3Sn ) كمادة فائقة التوصيل. يحمل الملف اللولبي المركزي تيارًا مقداره 46 كيلو أمبير، وينتج مجالًا مغناطيسيًا مقداره 13.5 تسلا. أما ملفات المجال الحلقي الثمانية عشر، فتخزن طاقة مقدارها 41 جيجا جول (إجمالًا) عند مجال أقصى يبلغ 11.8 تسلا. وقد تم اختبارها عند تيار قياسي قدره 80 كيلو أمبير. وتستخدم مغناطيسات ITER الأخرى ذات المجال الأقل (PF وCC) النيوبيوم-التيتانيوم. ويتم تغيير مجال معظم مغناطيسات ITER عدة مرات في الساعة.     

مطياف الكتلة

كان من المخطط استخدام مغناطيس فائق التوصيل بقوة 21 تسلا في أحد أجهزة قياس الطيف الكتلي عالية الدقة. [ 26 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ جيفورد، دبليو إي؛ لونجسورث، آر سي (1964)، تبريد الأنابيب النبضية (ملف PDF) ، معاملات الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين، مجلة الهندسة الصناعية 63، 264
  2. ↑ جيفورد، دبليو إي؛ لونجسورث، آر سي (1965)، ضخ الحرارة السطحي ، مجلة الهندسة المبردة المتقدمة 11، 171
  3. ↑ لونغسورث، آر سي (1967)، دراسة تجريبية لمعدل ضخ الحرارة في تبريد الأنابيب النبضية ، مجلة الهندسة المتقدمة للتبريد 12، 608
  4. ↑ ماتسوبارا، يويتشي (1994)، "ثلاجة أنبوب النبض" ، معاملات الجمعية اليابانية لمهندسي التبريد وتكييف الهواء ، 11 (2)، معاملات الجمعية اليابانية لمهندسي التبريد وتكييف الهواء، المجلد 11، العدد 2، الصفحات 89-99: 89، رمز Bibcode : 2011TRACE..11...89M
  5. ↑ 1. Adams, ED; Goodkind, JM (1963) "مبرد فائق للتحقيقات في درجات حرارة أقل من 0.02 كلفن". علم التبريد 3 ، 83 (1963)
  6. ↑ "تقرير موجز مؤقت عن تحليل حادثة 19 سبتمبر 2008 في مصادم الهادرونات الكبير" (PDF) . سيرن.
  7. ↑ بيترسون، توم (نوفمبر 2008). "اشرحها في 60 ثانية: إخماد المغناطيس" . مجلة التناظر . مختبر فيرميلاب / مركز ستانفورد للمسرعات الخطية . تم الاطلاع عليه بتاريخ 15 فبراير 2013 .
  8. ↑ ويلسون، إم إن (1994). أنظمة الحماية من التجميد وأنظمة أمان المغناطيس (ملف PDF) (تقرير فني). كيك، تسوكوبا.
  9. ↑ إعادة تشغيل مصادم الهادرونات الكبير: لماذا 13 تيرا إلكترون فولت؟ | سيرن . الصفحة الرئيسية.web.cern.ch. تاريخ الوصول: 19 ديسمبر 2015.
  10. ١ ٢ ٣ تجهيز أولى مغناطيسات مصادم الهادرونات الكبير لإعادة التشغيل . مجلة التناظر. تم الاطلاع عليه بتاريخ ١٩ ديسمبر ٢٠١٥.
  11. ↑ ينتيما، جي بي (1955). "لفائف فائقة التوصيل للمغناطيسات الكهربائية" . مجلة Physical Review . 98 (4). APS: 1197. Bibcode : 1955PhRv...98.1144. doi : 10.1103 /PhysRev.98.1144 .
  12. ↑ كونزلر، جيه إي؛ بوهلر، إي؛ هسو، إف إس إل؛ ويرنيك، جيه إتش (1961). "الموصلية الفائقة في Nb3Sn عند كثافة تيار عالية في مجال مغناطيسي قدره 88 كيلوجاوس" . رسائل المراجعة الفيزيائية . 6 (5). الجمعية الفيزيائية الأمريكية: 890. رمز Bibcode : 1961PhRvL...7..215K . doi : 10.1103/physrevlett.7.215 .
  13. ↑ بيرلينكورت، تي جي؛ هاك، آر آر (1962). "دراسات المجال المغناطيسي النبضي لسبائك المعادن الانتقالية فائقة التوصيل عند كثافات تيار عالية ومنخفضة". نشرة الجمعية الفيزيائية الأمريكية . المجلد الثاني (7). الجمعية الفيزيائية الأمريكية: 408.
  14. ↑ «رقم قياسي جديد في مختبر المغناطيسية يبشر بالمزيد» . بيان صحفي . المختبر الوطني للمجالات المغناطيسية العالية، الولايات المتحدة الأمريكية. 7 أغسطس/آب 2007. مؤرشف من الأصل بتاريخ 12 أكتوبر/تشرين الأول 2008. تم الاطلاع عليه بتاريخ 23 أكتوبر/تشرين الأول 2008 .
  15. ↑ "كونيكتوس - السوق" . www.conectus.org . مؤرشف من الأصل بتاريخ 11 أغسطس 2014. تم الاطلاع عليه بتاريخ 22 يونيو 2015 .
  16. ↑ يون، سانغوون؛ كيم، جايمين؛ تشيون، كيكون؛ لي، هونجو؛ هان، سيونغيونغ؛ مون، سيونغ هيون (2016). " مغناطيس فائق التوصيل بدون عزل، مصنوع بالكامل من GdBa2Cu3O7، ذو عرض متعدد، بتردد 26 تسلا وقطر 35 مم". مجلة علوم وتكنولوجيا الموصلات الفائقة . 29 (4) 04LT04. رمز Bibcode : 2016SuScT..29dLT04Y . doi : 10.1088/0953-2048/29/4/04LT04 . S2CID 124134119 .  
  17. ↑ هان، سيونغ يونغ؛ كيم، يونغ جاي؛ كيون بارك، دونغ؛ كيم، كوانغ مين؛ فوتشيو، جون ب.؛ باسكونان، خوان؛ إيواسا، يوكيكازو (2013). "تقنية لف متعددة العرض بدون عزل لمغناطيس فائق التوصيل ذي درجة حرارة عالية" . رسائل الفيزياء التطبيقية . 103 (17): 173511. Bibcode : 2013ApPhL.103q3511H . doi : 10.1063/1.4826217 . PMC 3820593. PMID 24255549 .  
  18. ^ ليو، جيانهوا؛ وانغ، تشيوليانغ. تشين، لانج؛ تشو، بنزهي؛ وانغ، كانغشواي؛ وانغ ياوهوي. وانغ، لي. تشانغ، زيلي. داي، ينمينغ؛ ليو، هوي؛ هو، شيننينغ؛ وانغ، هوي؛ كوي، تشونيان؛ وانغ، دانغي؛ وانغ ، هاو (2020-02-12). "الرقم القياسي العالمي 32.35 تسلا للمجال المغناطيسي للتيار المباشر المتولد بمغناطيس فائق التوصيل" . علوم وتكنولوجيا الموصلات الفائقة . 33 (3): 03LT01. بيب كود : 2020SuScT..33cLT01L . دوى : 10.1088/1361-6668/ab714e . ISSN 0953-2048 . S2CID 213171620 .  
  19. ↑ لارباليستير، ديفيد (12 يونيو 2019). "باستخدام مغناطيس صغير، يُحقق المختبر الوطني للمجالات المغناطيسية رقماً قياسياً عالمياً في المجال المغناطيسي" . بيان صحفي . المختبر الوطني للمجالات المغناطيسية العالية، الولايات المتحدة الأمريكية . تاريخ الاسترجاع: 31 يوليو 2020 .
  20. ↑ هان، س. (12 يونيو 2019). "مجال مغناطيسي بتيار مستمر بقوة 45.5 تسلا مُوَلَّد باستخدام مغناطيس فائق التوصيل ذي درجة حرارة عالية" . مجلة نيتشر . 570 (7762): 496-499 . Bibcode : 2019Natur.570..496H . doi : 10.1038/s41586-019-1293-1 . PMID 31189951. S2CID 186207595. تاريخ الاسترجاع: 31 يوليو 2020 .  
  21. ↑ "جهاز الرنين المغناطيسي النووي من فئة جيجاهرتز | مجال مغناطيسي فائق القوة" . www.bruker.com . تاريخ الاسترجاع: 16 أغسطس 2022 .
  22. ↑ بارك، دونغكيون؛ باسكونان، خوان؛ لي، يي؛ لي، ووسونغ؛ تشوي، يون هيوك؛ إيواسا، يوكيكازو (أغسطس 2021). "نظرة عامة على تصميم مغناطيس الرنين المغناطيسي النووي ذي درجة الحرارة المنخفضة/العالية بتردد 1.3 جيجاهرتز من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مع وحدة إدخال REBCO جديدة" . معاملات IEEE في الموصلية الفائقة التطبيقية . 31 (5): 1-6 . Bibcode : 2021ITAS...3164006P . doi : 10.1109/TASC.2021.3064006 . ISSN 1558-2515 . PMC 8078478. PMID 33927545 .   
  23. ↑ شياومين، هوانغ؛ شو، تشو؛ العلوم، الأكاديمية الصينية للعلوم. "الصين تدّعي تسجيل رقم قياسي عالمي جديد لأقوى مجال مغناطيسي ثابت" . phys.org . تاريخ الاسترجاع: 16 أغسطس 2022 .
  24. ↑ "刷新世界纪录!国家稳态强磁场实验装置产生最高稳态磁场" . m.thepaper.cn . تم الاسترجاع بتاريخ 2022-08-16 .
  25. ↑ التحديات التشغيلية لمصادم الهادرونات الكبير . cea.fr
  26. ↑ "تم اختيار شركة Bruker Daltonics لبناء أول مغناطيس FT-ICR في العالم بقوة 21.0 تسلا" . 29 أكتوبر 2010.

للمزيد من القراءة

  • مارتن ن. ويلسون، المغناطيسات فائقة التوصيل (سلسلة دراسات في علم التبريد) ، مطبعة جامعة أكسفورد، طبعة جديدة (1987)، رقم ISBN 978-0-19-854810-2.
  • يوكيكازو إيواسا، دراسات حالة في المغناطيسات فائقة التوصيل: قضايا التصميم والتشغيل (مواضيع مختارة في التوصيل الفائق) ، كلوير أكاديميك / بلينوم للنشر، (أكتوبر 1994)، رقم ISBN 978-0-306-44881-2.
  • حبيب بريشنا، أنظمة المغناطيس فائقة التوصيل ، نيويورك، سبرينغر-فيرلاغ نيويورك، 1973، رقم ISBN 3-540-06103-7، ISBN 0-387-06103-7
  • صنع المغناطيسات فائقة التوصيل من المختبر الوطني للمجالات المغناطيسية العالية
  • تقييم عام 1986 لمركبي NbTi و Nb3Sn لمغناطيسات مسرعات الجسيمات.