National MagLab用小而緊湊的線圈創(chuàng)造了世界紀錄的磁場

一種新型磁鐵，一半大小的紙板衛(wèi)生紙卷，從位于總部位于佛羅里達州立大學(xué)的國家高磁場實驗室舉辦了二十年的金屬泰坦篡奪了“世界上最強磁場”的稱號。

它的制造商說我們還沒有看到任何東西：通過將一個特別高磁場的磁鐵裝入一個可裝入錢包的線圈中，MagLab科學(xué)家和工程師已經(jīng)展示了一種構(gòu)建和使用更強，更小和更多電磁鐵的方法比以往任何時候都多。

今天發(fā)表在“ 自然 ”雜志上的一篇文章概述了他們的工作。

“我們真正打開了一扇新門，”MagLab工程師Seungyong Hahn說道，他是新磁鐵的幕后策劃人，也是FAMU-FSU工程學(xué)院的副教授。“由于其緊湊的特性，該技術(shù)具有完全改變高場應(yīng)用視野的巨大潛力。”

國家MagLab主任Greg Boebinger表示，這款新磁鐵是MagLab傳統(tǒng)巨型機器人的勇敢大衛(wèi)。

“這確實是一個小型化的里程碑，它可能會為磁鐵制造電子產(chǎn)品所做的事情，”他說。“這種創(chuàng)新技術(shù)可能會導(dǎo)致小型磁鐵在顆粒探測器，核聚變反應(yīng)堆和醫(yī)學(xué)診斷工具等地方發(fā)揮重要作用。”

佛羅里達州立大學(xué)研究副總裁Gary Ostrander表示，這一新紀錄是對教師的聰明才智和實驗室研究的跨學(xué)科性質(zhì)的致敬。

“我們的研究人員在這里設(shè)計了一項非凡的成就，”他說。“這項技術(shù)真正展示了我們的教師與實驗室資源相結(jié)合的優(yōu)勢如何能帶來一些特別的東西。”

新材料，新穎的設(shè)計

哈恩和他的團隊創(chuàng)造的微型磁鐵創(chuàng)造了世界紀錄的45.5特斯拉磁場。一個典型的醫(yī)院MRI磁鐵約為2或3個特斯拉，世界上最強的連續(xù)磁場磁鐵是MagLab自己的45特斯拉混合儀器，這是一個35噸的龐然大物，自1999年以來一直保持這一紀錄。

所謂的45-T仍然是世界上最強大的工作磁鐵，可以對材料進行尖端的物理研究。但是在測試中，由哈恩發(fā)明的半品脫大小的磁鐵，以390克(0.86磅)的尺度傾斜，短暫地超過了衛(wèi)冕冠軍的半個特斯拉，這是一個引人注目的概念證據(jù)。

如此小的東西怎么能創(chuàng)造一個大的領(lǐng)域呢?通過使用有前途的新導(dǎo)體和新穎的磁鐵設(shè)計。

45-T磁鐵和45.5-T測試磁鐵都是由超導(dǎo)體構(gòu)成的，超導(dǎo)體是一類具有特殊性能的導(dǎo)體，包括以完美的效率傳輸電能的能力。

45-T中使用的超導(dǎo)體是鈮基合金，已經(jīng)存在了幾十年。但是在45.5-T原理驗證磁體中，Hahn的團隊使用了一種名為REBCO(稀土鋇銅氧化物)的新化合物，它具有許多優(yōu)于傳統(tǒng)超導(dǎo)體的優(yōu)點。

值得注意的是，REBCO的電流可以是相同尺寸的鈮基超導(dǎo)體的兩倍多。這種電流密度至關(guān)重要：畢竟，通過電磁鐵運行的電流會產(chǎn)生電場，因此您可以越多地填充電場，電場越強。

同樣重要的是由SuperPower公司生產(chǎn)的特定REBCO產(chǎn)品 - 紙薄，帶狀線。

MagLab首席材料科學(xué)家David Larbalestier也是FAMU-FSU工程學(xué)院的教授，他看到該產(chǎn)品承諾將更多的能量用于潛在的世界紀錄磁鐵，并鼓勵哈恩試一試。

另一個關(guān)鍵因素不是他們放入的東西，而是他們遺漏的東西：絕緣。

今天的電磁鐵在導(dǎo)電層之間包含絕緣層，導(dǎo)電層沿著最有效的路徑引導(dǎo)電流。但它也增加了重量和體積。

哈恩的創(chuàng)新：沒有絕緣的超導(dǎo)磁體。除了產(chǎn)生更光滑的儀器外，這種設(shè)計還可以保護磁鐵免受稱為淬火的故障。當導(dǎo)體中的損壞或缺陷阻擋電流離開其指定路徑時，可能發(fā)生淬火，導(dǎo)致材料升溫并失去其超導(dǎo)特性。但如果沒有絕緣，那么電流就會沿著不同的路徑行進，避免淬火。

“線圈的匝數(shù)沒有彼此絕緣的事實意味著它們可以非常容易和有效地共享電流，以繞過任何這些障礙，”自然論文的相應(yīng)作者Larbalestier解釋道。

Hahn設(shè)計的另一個減肥方面涉及淬火：超導(dǎo)線材和膠帶必須包含一些銅，以幫助散發(fā)潛在熱點的熱量。他的“無絕緣”線圈，其磁帶厚度僅為0.043毫米，比傳統(tǒng)磁鐵需要的銅少得多。

在經(jīng)驗豐富的MagLab工程師Iain Dixon的指導(dǎo)下，該團隊快速連續(xù)制造了三個日益強大的原型，被稱為Little Big Coil(LBC)系列。在此過程中，他們精煉，解決了問題并使用了更好的超導(dǎo)體。

尋找答案使團隊走向了技術(shù)的最前沿 - 非常簡單。

由于生產(chǎn)限制，REBCO膠帶的制造寬度為-12 mm，約為半英寸。然而，為了滿足LBC的要求，這些膠帶必須縱向切割成4毫米寬。

即使在最小心的情況下，這也很難做到，因為REBCO非常脆弱。結(jié)果，已經(jīng)切開的帶的側(cè)面在高磁場的機械應(yīng)力下易于破裂。

“在這些實驗中發(fā)現(xiàn)了這一點，”Larbalestier說道。“我們找到了一種方法來控制這種損壞，即堅持要求我們購買具有一個非切口邊緣的材料，并且我們將非切口邊緣定位在遠離磁體中心的位置。在這種情況下，到目前為止，我們沒有看到損害。“

下一步?更多的研究和故障排除。哈恩的LBC設(shè)計目前正在考慮用于潛在破紀錄的未來超導(dǎo)磁體，該磁體現(xiàn)在由美國國家科學(xué)基金會資助研發(fā)。

“REBCO的根本問題在于它是一種不能完美制造的單絲導(dǎo)體，”Larbalestier說。“因此，任何長度的導(dǎo)體都含有各種缺陷，這些缺陷對未來任何磁鐵的影響尚不清楚。但我們?nèi)匀幌矚g這些挑戰(zhàn)。”

即使面臨這些挑戰(zhàn)，科學(xué)家仍然對已經(jīng)取得的進展感到興奮。

“當NSF幾十年前首次推出國家高磁場實驗室時，它徹底改變了強力磁鐵的研究用途，”NSF材料研究部主任Linda Sapochak說。“在宣布他們新的破紀錄的磁鐵時，MagLab已經(jīng)表明它將繼續(xù)推動這一領(lǐng)域的前沿，以及隨之而來的突破。”

負責(zé)監(jiān)督MagLab資金的NSF項目經(jīng)理Leonard Spinu回應(yīng)了Sapochak的評論。

“這一突破將加速MagLab的NSF支持的努力，以開發(fā)節(jié)能，高磁場的磁鐵，當實現(xiàn)可以使國家獲得這種技術(shù)的民主化，”他說。