مغناطيس فائق التوصيل

مخطط لمغناطيس فائق التوصيل بمجال 20 تسلا وله تجويف رأسي.

المغناطيس فائق التوصيل Superconducting magnet هو مغناطيس كهربائي مصنوع من ملفات من سلك فائق التوصيل. ويجب تبريدهم إلى درجات حرارة كريوجينية أثناء عمله. وفي حالته فائقة التوصيل فإن السلك يمكنه نقل تيارات كهربائية أكبر بكثير من السلك العادي، خالقاً مجالات مغناطيسية شديدة. ويمكن للمغناطيسات فائقة التوصيل انتاج مجالات مغناطيسية أكبر من كل المغناطيسات الكهربائية، عدا أقواهم، ويمكن أن يكونوا أرخص تشغيلاً لعدم تبديدهم للطاقة كحرارة في الملفات. يتم استخدامها في آلات MRI في المستشفيات ،وفي المعدات العلمية مثل مطياف NMR، مطيافية الكتلة، مفاعلات الاندماج و معجل الجسيمات. وتُستخدم أيضاً في الارتفاعات والتوجيه والدفع في نظام سكة حديد ذات رفع مغناطيسي (ماگليڤ) والذي يتم بناؤه في اليابان.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 الإنشاء

 التبريد

أثناء التشغيل، يجب تبريد ملفات المغناطيس إلى ما دون درجة الحرارة الحرجة، وهي درجة الحرارة التي تتغير فيها مادة الملف من حالة المقاومة العادية وتصبح موصلاً فائقاً. عادةً ما يتم تبريد الملفات إلى درجات حرارة أقل بكثير من درجة حرارتها الحرجة، لأنه كلما انخفضت درجة الحرارة، تعمل اللفات فائقة التوصيل بشكل أفضل - وكلما ارتفعت التيارات والمجالات المغناطيسية التي يمكن أن تتحملها دون العودة إلى حالتها غير فائقة التوصيل. يتم استخدام نوعين من أنظمة التبريد بشكل شائع للحفاظ على اللفات المغناطيسية عند درجات حرارة كافية للحفاظ على الموصلية الفائقة:

 مواد لفات الملف

الحد الأقصى للحقل المغناطيسي الذي يمكن تحقيقه في مغناطيس فائق التوصيل محدود بالمجال الذي تتوقف فيه مادة اللف عن التوصيل الفائق، "مجالها الحرج"، H_c، والذي لـ موصل فائق نوع-II هو حقل حرج علوي. عامل مقيد آخر هو "التيار الحرج"، I_c، حيث تتوقف مادة اللف أيضاً عن التوصيل الفائق. ركزت التطورات في المغناطيس على إنشاء مواد متعرجة أفضل.

تتكون الأجزاء فائقة التوصيل لمعظم المغناطيسات الحالية من نيوبيوم تيتانيوم. لهذه المادة درجة حرارة حرجة 10 كلڤن ويمكنها التوصيل الفائق عند حوالي 15 تسلا. يمكن تصنيع مغناطيس الأغلى ثمناً من نيوبيوم-قصدير (Nb₃Sn). هذه لديها T_c تبلغ 18 كلڤن عند التشغيل عند 4.2 كلڤن، فهي قادرة على تحمل شدة المجال المغناطيسي، ما يصل إلى 25 إلى 30 تسلا. لسوء الحظ، من الصعب جدًا صنع الأسلاك المطلوبة من هذه المادة. هذا هو السبب في استخدام مزيج من Nb₃Sn لأقسام الحقل العالي و NbTi لأقسام الحقل السفلي. تُستخدم الڤاناديوم-الگاليوم وهي مادة أخرى لإدخالات الحقول العالية.

يمكن استخدام الموصلات الفائقة عند درجات حرارة مرتفعة (على سبيل المثال بسكو أو يبكو) لإدخالات المجال العالي عندما تكون الحقول المغناطيسية المطلوبة أعلى من قدرة Nb₃Sn . يمكن أيضاً استخدام بسكو أو يبكو أو ثنائي بوريد المغنسيوم للأسلاك الحالية، مما يؤدي إلى توصيل تيارات عالية من درجة حرارة الغرفة إلى المغناطيس البارد دون مصاحبة تسرب حرارة كبير من أسلاك مقاومة.

 بنية الموصل

تصنع أسلاك المغناطيس الموصل الفائق الملفوفة من أسلاك أو أشرطة من الموصلات الفائقة من النوع الثاني (على سبيل المثال نيوبيوم-تيتانيوم أو نيوبيوم-قصدير). قد يكون السلك أو الشريط نفسه مصنوعاً من أسلاك صغيرة (حوالي 20 ميكرومتر من موصل فائق في مصفوفة النحاس. النحاس ضروري لإضافة الاستقرار الميكانيكي، ولتوفير مسار مقاومة منخفض للتيارات الكبيرة في حالة ارتفاع درجة الحرارة فوق T_c أو ارتفاع التيار فوق I_c] وفقدان الموصلية الفائقة. يجب أن تكون هذه الأسلاك صغيرة إلى هذا الحد لأنه في هذا النوع من الموصلات الفائقة، يتدفق التيار فقط في طبقة سطحية يقتصر سمكها على عمق اختراق لندن. (راجع ظاهرة سطحية) يجب تصميم الملف بعناية لتحمل (أو إبطال) الضغط المغناطيسي و قوة لورنتس التي يمكن أن تتسبب في حدوث كسر في الأسلاك أو تكسير العزل بين اللفات المجاورة.

 التشغيل

مغناطيس فائق التوصيل بمجال 7 تسلا أفقي التجويف، جزء من مطياف كتلة. المغناطيس نفسه يوجد داخل الكريوستات الأسطواني.

 النسق المتواصل

تيار اللف والمجال المغناطيسي، لن يدوما في الواقع إلى الأبد، بل سيضمحلان ببطء حسب ثابت زمني (L/R) حاث عادي:

$H=H_{0}e^{-(R/L)t}\,$

حيث $R\,$ هي مقاومة صغيرة متبقية في اللفات فائقة التوصيل بسبب المفاصل أو ظاهرة تسمى مقاومة حركة التدفق. تقريباً كل المغناطيسات فائقة التوصيل التجارية مزودة بمفاتيح مستمرة.

 انطفاء المغناطيس

الانطفاء quench هو انهاء غير طبيعي لعمل المغناطيس يحدث عندما يدخل جزء من الملف فائق التوصيل في حالة (مقاومة) عادية. ويمكن حدوث ذلك بسبب أن المجال داخل المغناطيس أصبح كبيراً جداً، معدل تغير المجال أصبح كبيراً جداً (مسبباً تيارات دوامية وتسخين ناتج في المصفوفة الداعمة النحاسية)، أو اجتماع الاثنين. والأكثر ندرة هو وجود عيب في المغناطيس يؤدي إلى اطفائه. وحينما يحدث ذلك، فإن ذلك الموضع يصبح عرضة لتسخين جول سريع، الأمر الذي يرفع درجة حرارة المناطق المحيطة. هذا يدفع تلك المناطق إلى الحالة الطبيعية أيضاً، مما يؤدي إلى مزيد من التسخين في تفاعل متسلسل. يصبح المغناطيس بأكمله طبيعياً بسرعة (قد يستغرق ذلك عدة ثوانٍ، اعتماداً على حجم الملف فائق التوصيل). ويصاحب ذلك ضجة عالية حيث يتم تحويل الطاقة في المجال المغناطيسي إلى حرارة وغليان سريع للسائل المبرد. يمكن أن يؤدي الانخفاض المفاجئ في التيار إلى حدوث طفرات وانحناء في الجهد الحثي للكيلو فولت. من النادر حدوث تلف دائم للمغناطيس، ولكن يمكن أن تتلف المكونات بسبب التسخين الموضعي أو الفولتية العالية أو القوى الميكانيكية الكبيرة. من الناحية العملية، تحتوي المغناطيسات عادةً على أجهزة أمان لإيقاف التيار أو تقييده عند اكتشاف بداية إخماد. إذا خضع مغناطيس كبير لعملية إطفاء، فإن البخار الخامل المتكون من السائل المبرد المتبخر يمكن أن يمثل خطراً كبيراً بالاختناق للمشغلين عن طريق إزاحة الهواء القابل للتنفس.

تم إخماد قسم كبير من المغناطيسات فائقة التوصيل في مصادم الهدرونات الكبير التابع لـ سرن بشكل غير متوقع أثناء عمليات بدء التشغيل في عام 2008، مما استلزم استبدال عدد من مغناطيسات.من أجل التخفيف من عمليات التبريد التي يحتمل أن تكون مدمرة، تم تجهيز المغناطيسات فائقة التوصيل التي تشكل المصادم LHC بسخانات سريعة الانحدار يتم تنشيطها بمجرد اكتشاف حدث إخماد بواسطة نظام حماية الإخماد المعقد. نظراً لأن مغناطيس الانحناء ثنائي القطب متصل في سلسلة، تشتمل كل دائرة طاقة على 154 مغناطيساً فردياً، وفي حالة حدوث حدث انطفاء، يجب التخلص من الطاقة المخزنة المجمعة بالكامل لهذه المغناطيسات مرة واحدة. يتم نقل هذه الطاقة إلى مقالب عبارة عن كتل ضخمة من المعدن تصل درجة حرارتها إلى عدة مئات من الدرجات المئوية بسبب مقاومة التسخين في غضون ثوانٍ. على الرغم من أنه غير مرغوب فيه، فإن إخماد المغناطيس هو "حدث روتيني إلى حد ما" أثناء تشغيل معجل الجسيمات.

 التاريخ

على الرغم من أن فكرة صنع مغناطيسات كهربائية بسلك فائق التوصيل قد اقترحها هايكه كامرلنغ اُنـِّس بعد قليل من اكتشافه الموصلية الفائقة في 1911، فإن انتاج نسخة عملية من المغناطيس الكهربائي فائق التوصيل كان عليها انتظار اكتشاف الموصلات الفائق من النمط الثاني التي يمكنها تحمل المجالات المغناطيسية العالية. وأول مغناطيس فائق التوصيل ناجح أنشأه جورج إنتما في 1954 باستخدام سلك نيوبيوم وحقق مجالاً قدره 0.71 T عند 4.2 ك.

وفي 1986، نشـَّط اكتشاف الموصلات الفائقة عالية الحرارة، على أيدي گيورگ بدنورز وكارل مولر، حقل الدراسة، مما رفع من احتمال التوصل لمغناطيسات يمكن تبريدها بالنيتروجين السائل بدلاً من الهليوم الأكثر صعوبة في التناول.

في عام 2007، حقق مغناطيس بلفائف من يبكو رقماً قياسياً عالمياً في مجال قدره 26.8 تسلا. ويهدف المجلس القومي للبحوث بالولايات المتحدة إلى إنشاء مغناطيس فائق التوصيل بقوة 30 تسلا.

في عام 2017، حطم مغناطيس YBCO الذي أنشأه المختبر الوطني للحقل المغناطيسي العالي (NHMFL) الرقم القياسي العالمي السابق بقوة 32 T. وهو مغناطيس مستخدم فائق التوصيل، مصمم ليدوم لعدة عقود. لديهم الرقم القياسي الحالي منذ مارس 2018.

في عام 2019، طور NHMFL أيضاً ملف اختبار YBCO غير معزول والذي حطم الرقم القياسي العالمي للمختبر لأعلى مجال مغناطيسي مستمر لأي تكوين للمغناطيس عند 45.5 T.

 الاستخدامات

ماكينة MRI تستخدم مغناطيساً فائق التوصيل. المغناطيس يوجد داخل الحلقة الكبيرة، ويمكنه خلق مجال مغناطيسي قدره 3 تسلا داخل الفجوة المركزية.

مغناطيس 11.5 تسلا بإلكترونيات، يُستخدَم في NIST لتشتت النيوترونات.

للمغناطيسات فائقة التوصيل عدد من المزايا مقارنة بالمغناطيسات الكهربائية المقاومة. يمكن أن تولد مجالات مغناطيسية أقوى بعشر مرات من تلك الناتجة عن المغناطيسات الكهربائية ذات النواة عالية النفاذية، والتي تقتصر على مجالات تبلغ حوالي 2 T. يمكن أن تكون أصغر، وتكون المنطقة الواقعة في مركز المغناطيس حيث يتم إنشاء الحقل فارغة بدلاً من أن تكون مشغولة بنواة حديدية. الأهم من ذلك، بالنسبة للمغناطيسات الكبيرة، يمكن أن تستهلك طاقة أقل بكثير. في حالة الثبات (أعلاه)، القوة الوحيدة التي يستهلكها المغناطيس هي التي يحتاجها أي جهاز تبريد للحفاظ على درجة حرارة التبريد. ومع ذلك، يمكن تحقيق حقول أعلى باستخدام مغناطيس كهربائي مقاوم مبرد خاص، حيث ستدخل الملفات فائقة التوصيل الحالة العادية (غير فائقة التوصيل) (انظر انطفاء المغناطيس، أعلاه) في الحقول العالية. يمكن الآن تحقيق الحقول الثابتة التي تزيد عن 40 طناً من قبل العديد من المؤسسات حول العالم عادةً عن طريق الجمع بين مغناطيس كهربائي حاد ومغناطيس فائق التوصيل (غالباً كإضافة).

تُستخدم المغناطيسات فائقة التوصيل على نطاق واسع في آلات MRI، NMR، مطيافية الكتلة، وعمليات الفصل المغناطيسي، و معجل الجسيمات.

في اليابان، بعد عقود من البحث والتطوير في ماگليڤ فائقة التوصيل بواسطة السكك الحديدية الوطنية اليابانية ولاحقاً شركة السكك الحديدية اليابانية المركزية (JR Central)، منحت الحكومة اليابانية الإذن لـ JR Central بناء تشو شينكانسن، وربط طوكيو بناگويا ولاحقاً بأوساكا.

أحد أكثر الاستخدامات صعوبة لمغناطيس SC هو معجل الجسيمات مصادم الهدرونات الكبير. تعمل مغناطيسات نيوبيوم-تيتانيوم (Nb-Ti) عند 1.9 كلڤن للسماح لها بالعمل بأمان عند 8.3 T. كل مغناطيس يخزن 7 ميگا جول. إجمالاً، يخزن المغناطيس 10.4 gigajoules (2.5 tons of TNT). مرة أو مرتين في اليوم، مع تسارع البروتونات من 450 گيگا إلكترون ڤولت إلى 7 تيرا إلكترون ڤولت، سيزداد مجال مغناطيس الانحناء الفائق التوصيل من 0.54 T إلى 8.3 T.

الملف اللولبي المركزي والمغناطيسات ذات الموصلية الفائقة للحقل الحلقي المصممة لاستخدام مفاعل الاندماج ITER نيوبيوم-قصدير (Nb₃Sn) كموصل فائق. سيحمل ملف الملف اللولبي المركزي 46 كيلو أمبير وينتج مجالاً من 13.5 تسلا. سيخزن 18 ملفاً حلقياً في المجال بحد أقصى 11.8 تسلا 41 GJ (total?). تم اختبارها عند مستوى قياسي يبلغ 80 كيلو أمبير. سوف تستخدم مغناطيسات ITER الأخرى ذات المجال المنخفض (PF و CC) نيوبيوم-تيتانيوم. سيتنوع مجال معظم مغناطيسات ITER عدة مرات في الساعة.

من المقرر استخدام مطيافية الكتلة عالية الدقة لاستخدام مغناطيس فائق التوصيل 21 تسلا.

على الصعيد العالمي في عام 2014، نتجت حوالي خمسة مليارات يورو من النشاط الاقتصادي بسبب الموصلية الفائقة التي لا غنى عنها. تمثل أنظمة التصوير بالرنين المغناطيسي، التي يستخدم معظمها النيوبيوم-تيتانيوم، حوالي 80 ٪ من هذا الإجمالي.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 طالع أيضاً

• Fault current limiter
• ضخ الفيض Flux pumping

 للاستزادة

• Martin N. Wilson, Superconducting Magnets (Monographs on Cryogenics), Oxford University Press, New edition (1987), ISBN 978-0-19-854810-2.
• Yukikazu Iwasa, Case Studies in Superconducting Magnets: Design and Operational Issues (Selected Topics in Superconductivity), Kluwer Academic / Plenum Publishers, (Oct 1994), ISBN 978-0-306-44881-2.
• Habibo Brechna, Superconducting magnet systems, New York, Springer-Verlag New York, Inc., 1973, ISBN 3-540-06103-7, ISBN 0-387-06103-7

 وصلات خارجية

• Making Superconducting Magnets From the National High Magnetic Field Laboratory
• 1986 evaluation of NbTi and Nb3Sn for particle accelerator magnets.