- 26,398
- 46
- 8 Ноя 2022
Зачем строить научные центры за миллиарды, если есть REBCO?
Магниты с полем выше 40 тесла давно считаются роскошью крупных научных центров. Такие установки занимают целые помещения, требуют сложной инфраструктуры и сжигают мегаватты энергии. Группа исследователей из ETH Zürich показала другой вариант: магнит с полем до 42,3 тесла поместился в ладони и работает при мощности меньше одного ватта. Для физики сильных полей разница выглядит почти неправдоподобной.
Работу опубликовал журнал Science Advances. Авторы собрали два компактных магнита целиком на высокотемпературных сверхпроводниках . Основой послужила лента REBCO, материал на базе редкоземельных элементов, бария, меди и кислорода. Первый образец с двумя плоскими катушками достиг 38 тесла. Второй вариант, где четыре катушки сложили в стопку, выдал 42,3 тесла. До сих пор такие значения ассоциировались прежде всего с огромными стационарными системами, которые стоят лишь в нескольких национальных лабораториях мира.
Масштаб лучше всего виден в сравнении с привычной техникой. Больничные томографы МРТ обычно работают в диапазоне 1,5-3 тесла. Предыдущий рекорд для полностью высокотемпературного сверхпроводящего магнита держался на уровне 26 тесла. Мировой рекорд среди стационарных магнитов принадлежит установке Национальной лаборатории сильных магнитных полей США: 45,5 тесла при потреблении свыше 20 мегаватт. Швейцарские образцы подобрались к такому уровню вплотную, хотя объём катушек у них более чем в тысячу раз меньше.
Главная инженерная проблема скрывалась в геометрии. Внутренний канал магнита имеет диаметр всего 3,1 миллиметра, примерно как толщина карандаша. Сверхпроводящую ленту REBCO обычно не наматывают на столь малый радиус: стандартные методы требуют минимум около 14 миллиметров, иначе хрупкий сверхпроводящий слой может треснуть. Команда ETH Zürich нашла обходной путь и перенесла точку соединения катушек за пределы внутреннего отверстия. Такой приём позволил сохранить целостность ленты даже при очень плотной намотке.
Конструкция дополняется намоткой без изоляции и пайкой по всей катушке. Подобная схема даёт сразу два эффекта. Во-первых, через катушку проходит больше тока на единицу площади. Во-вторых, сама структура становится прочнее и лучше переносит механические нагрузки. Исследователи сообщают о плотности тока до 2257 ампер на квадратный миллиметр.
Авторы провели внутри канала диаметром 3,1 миллиметра эксперименты по ядерному магнитному резонансу. Метод ЯМР помогает изучать строение молекул и материалов: сильное магнитное поле повышает чувствительность прибора и улучшает разрешение спектров. Иными словами, исследователь получает более подробную картину того, как устроено вещество на молекулярном уровне.
Сейчас работа в полях выше 28 тесла чаще всего требует поездки в национальную лабораторию и отдельной заявки на доступ к установке. Для университетских групп и исследовательских больниц такой режим означает месяцы ожидания, высокие расходы и жёсткие ограничения по времени эксперимента. Компактный магнит, который способен работать в районе 40 тесла при малом энергопотреблении, меняет саму логику доступа к таким измерениям. Высокопольный ЯМР перестаёт быть редким ресурсом крупнейших центров и постепенно превращается в лабораторный инструмент.
Авторы отдельно упоминают ещё две области, где разработка может особенно пригодиться. Первая связана с квантовыми материалами, где необычные свойства вещества нередко проявляются только в очень сильных магнитных полях. Вторая касается микро-ЯМР. В таких системах радиочастотные катушки уже научились уменьшать до размеров меньше одного миллиметра, поэтому миниатюрный сверхсильный магнит хорошо вписывается в существующий тренд на уменьшение приборов.
Пока технология не решила все проблемы. Для ЯМР критически важна однородность поля внутри рабочего канала. Если магнитное поле распределено неравномерно, спектральные линии расплываются и точность измерений падает. Команда ETH Zürich прямо признаёт, что по этому параметру работу ещё предстоит довести. Следующая цель связана как раз с улучшением однородности и с прямыми ЯМР-измерениями в полях выше 40 тесла.
Если дальнейшие испытания подтвердят расчёты и воспроизводимость результатов, сильные магнитные поля перестанут быть привилегией гигантских установок с отдельными энергоблоками. В таком случае часть экспериментов, которые раньше проводили только в национальных лабораториях, переедет на обычный лабораторный стол.
Магниты с полем выше 40 тесла давно считаются роскошью крупных научных центров. Такие установки занимают целые помещения, требуют сложной инфраструктуры и сжигают мегаватты энергии. Группа исследователей из ETH Zürich показала другой вариант: магнит с полем до 42,3 тесла поместился в ладони и работает при мощности меньше одного ватта. Для физики сильных полей разница выглядит почти неправдоподобной.
Работу опубликовал журнал Science Advances. Авторы собрали два компактных магнита целиком на высокотемпературных сверхпроводниках . Основой послужила лента REBCO, материал на базе редкоземельных элементов, бария, меди и кислорода. Первый образец с двумя плоскими катушками достиг 38 тесла. Второй вариант, где четыре катушки сложили в стопку, выдал 42,3 тесла. До сих пор такие значения ассоциировались прежде всего с огромными стационарными системами, которые стоят лишь в нескольких национальных лабораториях мира.
Масштаб лучше всего виден в сравнении с привычной техникой. Больничные томографы МРТ обычно работают в диапазоне 1,5-3 тесла. Предыдущий рекорд для полностью высокотемпературного сверхпроводящего магнита держался на уровне 26 тесла. Мировой рекорд среди стационарных магнитов принадлежит установке Национальной лаборатории сильных магнитных полей США: 45,5 тесла при потреблении свыше 20 мегаватт. Швейцарские образцы подобрались к такому уровню вплотную, хотя объём катушек у них более чем в тысячу раз меньше.
Главная инженерная проблема скрывалась в геометрии. Внутренний канал магнита имеет диаметр всего 3,1 миллиметра, примерно как толщина карандаша. Сверхпроводящую ленту REBCO обычно не наматывают на столь малый радиус: стандартные методы требуют минимум около 14 миллиметров, иначе хрупкий сверхпроводящий слой может треснуть. Команда ETH Zürich нашла обходной путь и перенесла точку соединения катушек за пределы внутреннего отверстия. Такой приём позволил сохранить целостность ленты даже при очень плотной намотке.
Конструкция дополняется намоткой без изоляции и пайкой по всей катушке. Подобная схема даёт сразу два эффекта. Во-первых, через катушку проходит больше тока на единицу площади. Во-вторых, сама структура становится прочнее и лучше переносит механические нагрузки. Исследователи сообщают о плотности тока до 2257 ампер на квадратный миллиметр.
Авторы провели внутри канала диаметром 3,1 миллиметра эксперименты по ядерному магнитному резонансу. Метод ЯМР помогает изучать строение молекул и материалов: сильное магнитное поле повышает чувствительность прибора и улучшает разрешение спектров. Иными словами, исследователь получает более подробную картину того, как устроено вещество на молекулярном уровне.
Сейчас работа в полях выше 28 тесла чаще всего требует поездки в национальную лабораторию и отдельной заявки на доступ к установке. Для университетских групп и исследовательских больниц такой режим означает месяцы ожидания, высокие расходы и жёсткие ограничения по времени эксперимента. Компактный магнит, который способен работать в районе 40 тесла при малом энергопотреблении, меняет саму логику доступа к таким измерениям. Высокопольный ЯМР перестаёт быть редким ресурсом крупнейших центров и постепенно превращается в лабораторный инструмент.
Авторы отдельно упоминают ещё две области, где разработка может особенно пригодиться. Первая связана с квантовыми материалами, где необычные свойства вещества нередко проявляются только в очень сильных магнитных полях. Вторая касается микро-ЯМР. В таких системах радиочастотные катушки уже научились уменьшать до размеров меньше одного миллиметра, поэтому миниатюрный сверхсильный магнит хорошо вписывается в существующий тренд на уменьшение приборов.
Пока технология не решила все проблемы. Для ЯМР критически важна однородность поля внутри рабочего канала. Если магнитное поле распределено неравномерно, спектральные линии расплываются и точность измерений падает. Команда ETH Zürich прямо признаёт, что по этому параметру работу ещё предстоит довести. Следующая цель связана как раз с улучшением однородности и с прямыми ЯМР-измерениями в полях выше 40 тесла.
Если дальнейшие испытания подтвердят расчёты и воспроизводимость результатов, сильные магнитные поля перестанут быть привилегией гигантских установок с отдельными энергоблоками. В таком случае часть экспериментов, которые раньше проводили только в национальных лабораториях, переедет на обычный лабораторный стол.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
