National MagLab skaber verdensrekordmagnetfelt med små, kompakt spole

En ny magnet, der er halvt så stor som en toiletpapirrulle i pap, overtog titlen "verdens stærkeste magnetfelt" fra metaltitanen, der havde holdt den i to årtier ved Florida State University med hovedkontor i National High Magnetic Field Laboratory.

Og dets producenter siger, at vi endnu ikke har set noget:Ved at pakke en usædvanlig højfeltsmagnet ind i en spole kunne du pakke i en pung, MagLab -forskere og ingeniører har vist en måde at bygge og bruge elektromagneter, der er stærkere, mindre og mere alsidig end nogensinde før.

Deres arbejde er skitseret i en artikel, der blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur .

"Vi åbner virkelig en ny dør, "sagde MagLab -ingeniøren Seungyong Hahn, hjernen bag den nye magnet og en lektor ved FAMU-FSU Engineering College. "Denne teknologi har et meget godt potentiale til helt at ændre horisonterne for applikationer på højt felt på grund af dens kompakte karakter."

Denne nye magnet er en flov David til MagLabs konventionelle Goliatere, sagde National MagLab Director Greg Boebinger.

"Dette er virkelig en miniaturiserende milepæl, der potentielt kan gøre for magneter, hvad silicium har gjort for elektronik, "sagde han." Denne kreative teknologi kan føre til små magneter, der gør store opgaver på steder som partikeldetektorer, atomfusionsreaktorer og diagnostiske værktøjer i medicin. "

Gary Ostrander, vicepræsident for forskning ved Florida State University, sagde, at den nye rekord er en hyldest til opfindsomheden i fakultetet og tværfaglig forskning i laboratoriet.

"Vores forskere har konstrueret en bemærkelsesværdig bedrift her, "sagde han." Denne teknologi viser virkelig, hvordan vores fakultets styrke kombineret med laboratoriets ressourcer kan resultere i noget særligt. "

Nye materialer, nyt design

Miniaturemagneten skabt af Hahn og hans team genererede et verdensrekord på 45,5 tesla magnetfelt. En typisk hospital MR -magnet er omkring 2 eller 3 teslas, og den stærkeste, kontinuerlig feltmagnet i verden er MagLabs eget 45-tesla hybridinstrument, en 35-tons behemoth, der har bevaret denne rekord siden 1999.

45-T, som det kaldes, er stadig verdens stærkeste arbejdsmagnet, muliggør banebrydende fysikforskning i materialer. Men i en test, den halvpint-store magnet opfundet af Hahn, vippe vægten til 390 gram (0,86 pund), kort overgået den regerende mesterfelt med en halv tesla, et overbevisende bevis på begrebet.

Hvordan kunne noget så lille skabe et så stort felt? Ved at bruge en lovende, ny leder og et nyt magnetdesign.

Både 45-T magneten og 45,5-T testmagneten er delvist bygget med superledere, en klasse af ledere med særlige egenskaber, herunder evnen til at transportere elektricitet med perfekt effektivitet.

De superledere, der bruges i 45-T, er niob-baserede legeringer, som har eksisteret i årtier. Men i 45,5-T-princippet-magneten, Hahns team brugte en nyere forbindelse kaldet REBCO (sjælden jordbariumkobberoxid) med mange fordele i forhold til konventionelle superledere.

Især REBCO kan bære mere end dobbelt så meget strøm som en sektion af samme størrelse af niob-baseret superleder. Denne strømtæthed er afgørende:Når alt kommer til alt, den elektricitet, der løber gennem en elektromagnet, genererer sit felt, så jo mere du kan proppe ind, jo stærkere feltet.

Også kritisk var det specifikke REBCO-produkt, der blev brugt-papirtyndt, båndformede ledninger fremstillet af SuperPower Inc.

MagLab Chief Materials Scientist David Larbalestier, som også er professor ved FAMU-FSU College of Engineering, så produktets løfte om at pakke mere strøm ind i en potentiel verdensrekordmagnet, og opfordrede Hahn til at prøve det.

Den anden centrale ingrediens var ikke noget, de lagde i, men snarere noget, de udelod:isolering.

Dagens elektromagneter indeholder isolering mellem ledende lag, som leder strømmen langs den mest effektive vej. Men det tilføjer også vægt og vægt.

Hahns innovation:En superledende magnet uden isolering. Udover at give et slankere instrument, dette design beskytter magneten mod en funktionsfejl kendt som en slukning. Standsninger kan forekomme, når skader eller ufuldkommenheder i lederen blokerer strømmen fra den angivne vej, får materialet til at varme op og miste dets superledende egenskaber. Men hvis der ikke er isolering, at strømmen simpelthen følger en anden vej, afværge en bratkøling.

"Det faktum, at spolens drejninger ikke er isoleret fra hinanden, betyder, at de meget let og effektivt kan dele strøm for at omgå enhver af disse forhindringer, "forklarede Larbalestier, tilsvarende forfatter på Nature -papiret.

Der er et andet slankende aspekt af Hahns design, der vedrører slukning:Superledende ledninger og bånd skal indeholde noget kobber for at hjælpe med at sprede varme fra potentielle hot spots. Hans "ingen-isolering" spole, med bånd på kun 0,043 mm tyk, kræver meget mindre kobber end konventionelle magneter.

Med vejledning af veteran MagLab -ingeniøren Iain Dixon, holdet byggede tre stadig mere kraftfulde prototyper hurtigt efter hinanden, der blev kendt som serien Little Big Coil (LBC). Langs vejen, de raffinerede, løst problemer og brugt stadig bedre superledere.

Søgningen efter svar bragte teamet til det forreste inden for teknologi - helt bogstaveligt.

På grund af produktionsbegrænsninger, REBCO -bånd fremstilles i en bestemt bredde - 12 mm, eller omkring en halv tomme. For at opfylde LBC's krav, imidlertid, disse bånd skulle skæres i længden til 4 mm brede.

Det er svært at gøre, selv med den største omhu fordi REBCO er ret skrøbelig. Som resultat, siderne af båndet, der var blevet slidset, var sårbare over for revner under mekanisk belastning af høje magnetfelter.

"Det blev opdaget smukt i disse eksperimenter, "Larbalestier sagde." Vi fandt en måde at kontrollere denne skade på, hvilket er at insistere på, at vi køber materiale, der har en kant uden slids, og vi orienterer den ikke-slidsede kant væk fra midten af ​​magneten. Og under disse omstændigheder, indtil videre ser vi ikke skader. "

Næste trin? Mere forskning og fejlfinding. Hahns LBC-design overvejes i øjeblikket til brug i en potentielt rekordstor fremtidig superledende magnet, der nu er i forskning og udvikling finansieret af National Science Foundation.

"Det grundlæggende problem med REBCO er, at det er en enkeltfilamentleder, der ikke kan laves perfekt, "Larbalestier sagde." Så enhver lederlængde indeholder en række defekter, hvis indvirkning på en fremtidig magnet endnu ikke er godt forstået. Men vi nyder den slags udfordringer. "

Selv med disse udfordringer, forskere er stadig begejstrede for de fremskridt, der er gjort.

"Da NSF første gang lancerede National High Magnetic Field Laboratory for årtier siden, det revolutionerede brugen af ​​kraftfulde magneter til forskning, "sagde Linda Sapochak, direktør for NSFs afdeling for materialeforskning. "Ved offentliggørelsen af ​​deres nye verdensrekord-magnet, MagLab har vist, at det fortsætter med at drive forkant med dette felt, og de gennembrud, der vil følge. "

Leonard Spinu, NSF -programlederen, der fører tilsyn med MagLabs finansiering, gentog Sapochaks kommentarer.

"Dette gennembrud vil fremskynde MagLabs NSF-understøttede indsats for at udvikle energieffektive, højfeltmagneter, som, når det blev realiseret, kunne demokratisere national adgang til denne teknologi, " han sagde.