صناعة المغانط باستخدام الموصلات الفائقة

كيف يتم تشغيل المغانط الكمية

• أثناء استخدام المغانط الفائقة، يجب تقليل درجات حرارة ملفات المغناطيس إلى أقل من درجة حرارتها الحرجة، وهي درجة الحرارة التي تنتقل فيها مادة الملف من حالة المقاومة العادية وتصبح موصلاً فائقًا، وهو أقل بكثير من درجة حرارة الغرفة في النطاق المبرد.

• على الأغلب يتم تبريد الملفات إلى درجات حرارة أقل بكثير من درجة حرارتها الحرجة؛ لأنه كلما قلت درجة الحرارة تعمل اللفات فائقة التوصيل بشكل جيد وكلما ارتفعت التيارات والمجالات المغناطيسية التي يمكن أن تتحملها دون العودة إلى حالتها غير فائقة التوصيل، حيث يتم استخدام نوعين من أنظمة التبريد للحفاظ على لفائف المغناطيس في درجات حرارة كافية للحفاظ على الموصلية الفائقة.

أنظمة التبريد في الحفاظ على درجة حرارة المغناطيس الفائق

سائل الهيليوم المبرد

يستخدم الهليوم السائل كمبرد للعديد من اللفات فائقة التوصيل، حيث تبلغ درجة غليانه 4.2 كلفن أي أقل بكثير من درجة الحرارة الحرجة لمعظم المواد المتعرجة، ويكون المغناطيس والمبرد موجودان في حاوية معزولة حرارياً تسمى ناظم البرد.

للحفاظ على الهيليوم من الغليان، عادة ما يتم تصنيع ناظم التبريد بغلاف خارجي يحتوي على نيتروجين سائل أرخص بكثير عند 77 كلفن، وبدلاً من ذلك درع حراري مصنوع من مادة موصلة ويتم الحفاظ عليه في نطاق درجة حرارة 40 K-60 K، ويتم تبريده بواسطة يتم وضع الوصلات الموصلة إلى رأس المبرد البارد حول الوعاء المملوء بالهيليوم للحفاظ على مدخلات الحرارة للأخير عند مستوى مقبول.

التبريد الميكانيكي

بسبب زيادة التكلفة وتضاؤل ​​توافر الهيليوم السائل يتم تبريد العديد من أنظمة التوصيل الفائق باستخدام التبريد الميكانيكي على مرحلتين، وبشكل عام يتم استخدام نوعين من المبردات المبردة الميكانيكية التي تتمتع بقدرة تبريد كافية للحفاظ على المغناطيس أقل من درجة الحرارة الحرجة.

أصبح المبرد جيفورد مكماهون متاحًا تجاريًا منذ الستينيات ووجد تطبيقًا واسع النطاق، إذ تعمل دورة إعادة التوليد المعدلة وراثيًا في المبرد بالتبريد باستخدام مبادل حراري من نوع المكبس، وبدلاً من ذلك شهد عام 1999 أول تطبيق تجاري باستخدام مبرد تجميد ذو أنبوب نبضي.

أصبح تصميم المبرد هذا شائعًا بشكل متزايد بسبب انخفاض الاهتزاز وفترة الخدمة الطويلة، حيث تستخدم تصميمات الأنبوب النبضي عملية صوتية بدلاً من الإزاحة الميكانيكية.

في الثلاجة النموذجية ذات المرحلتين ستوفر المرحلة الأولى قدرة تبريد أعلى، ولكن عند درجة حرارة أعلى (≈77 كلفن) مع وصول المرحلة الثانية إلى ≈4.2 كلفن و <2.0 واط طاقة تبريد، وأثناء الاستخدام تُستخدم المرحلة الأولى في المقام الأول للتبريد الإضافي للكاريوستات مع استخدام المرحلة الثانية أساسًا لتبريد المغناطيس.

الهيكل الموصل

اللفات الملفوفة للمغناطيس فائق التوصيل مصنوعة من أسلاك أو أشرطة من النوع الثاني من الموصلات الفائقة، مثل النيوبيوم-تيتانيوم أو النيوبيوم-القصدير، وقد يكون السلك أو الشريط نفسه مصنوعًا من خيوط دقيقة حوالي 20 ميكرومترًا من الموصل الفائق في مصفوفة نحاسية.

يعتبر 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.

هذه الخيوط يجب أن تكون صغيرة إلى هذا الحد؛ لأنه في هذا النوع من الموصلات الفائقة يتدفق التيار فقط في طبقة سطحية، حيث يجب إنشاء الملف بعناية لتحمل أو إبطال الضغط المغناطيسي وقوى لورنتز، التي يمكن أن تتسبب في حدوث كسر في الأسلاك أو تكسير العزل بين المنعطفات المجاورة.

العمليات التي تحدث في المغناطيس الفائق

تزويد الطاقة

يتم توفير التيار إلى لفات الملف بواسطة مصدر طاقة تيار مستمر عالي الجهد، ويكون منخفض الجهد للغاية؛ لأنه في الحالة المستقرة يكون الجهد الوحيد عبر المغناطيس بسبب مقاومة أسلاك التغذية، حيث يجب أن يتم أي تغيير للتيار عبر المغناطيس ببطء شديد.

وذلك، لأن المغناطيس كهربائيًا عبارة عن محث كبير وسيؤدي تغيير التيار المفاجئ إلى ارتفاع كبير في الجهد عبر اللفات، والأهم من ذلك أن التغيرات السريعة في التيار يمكن أن يتسبب دوامة التيارات والضغوط الميكانيكية في اللفات التي يمكن أن تؤدي إلى الإخماد.

لذلك، عادةً ما يتم العمل في مصدر الطاقة عن طريق معالج دقيق ومبرمج لإنجاز التغييرات الحالية تدريجياً في منحدرات لطيفة، وعادة ما يستهلك الأمر عدة دقائق لتنشيط أو إلغاء تنشيط مغناطيس بحجم المختبر.

وضع التشغيل البديل

إن وضع الطاقة البديل الذي تستعمله معظم المغناطيسات فائقة التوصيل هو قصر دائرة اللفات بقطعة من الموصل الفائق بمجرد تنشيط المغناطيس، حيث تصبح اللفات حلقة مغلقة فائقة التوصيل، ويمكن إغلاق تشغيل مصدر الطاقة، حيث ستتدفق التيارات المستمرة لأشهر، مما يعمل على الحفاظ على المجال المغناطيسي.

ميزة هذا الوضع المستمر هو أن استقرار المجال المغناطيسي أفضل مما يمكن تحقيقه باستخدام أفضل مصادر الطاقة، ولا حاجة إلى طاقة لتشغيل اللفات، حيث تتكون الدائرة القصيرة من مفتاح ثابت، وهي قطعة من الموصل الفائق داخل المغناطيس متصلة عبر نهايات الملف متصلة بمسخن صغير.

عندما يتم تشغيل المغناطيس لأول مرة، يتم تسخين سلك التبديل فوق درجة حرارة التحول الخاصة به، لذلك فهو مقاوم، ونظرًا لعدم وجود مقاومة للملف نفسه فلا يتدفق أي تيار عبر سلك التبديل، وللانتقال إلى الوضع الثابت يتم ضبط تيار الإمداد حتى يتم الحصول على المجال المغناطيسي المطلوب ثم يتم إيقاف تشغيل السخان.

يبرد المفتاح المستمر إلى درجة حرارة فائقة التوصيل، مما يؤدي إلى قصر دائرة اللفات، ثم يمكن إيقاف تشغيل مصدر الطاقة، حيث لن يدوم تيار اللف والمجال المغناطيسي إلى الأبد، لكنهما سيضمنان ببطء وفقًا لثابت زمن الاستقراء العادي.

كيف يتم إخماد المغناطيس الفائق

الإخماد هو إنهاء غير طبيعي لعملية المغناطيس الذي يحدث عندما يدخل جزء من الملف فائق التوصيل إلى الحالة الطبيعية في المقاومة، حيث يمكن أن يحدث هذا لأن المجال داخل المغناطيس كبير جدًا، أو أن معدل تغير المجال كبير جدًا، مما يتسبب في تيارات دوامة وتسخين ناتج في مصفوفة دعم النحاس، أو مزيج من الاثنين، ونادرًا ما يتسبب عيب في المغناطيس في إخماد.

عندما يحدث هذا، فإن تلك البقعة المعينة تخضع لتسخين جول سريع من التيار الهائل، مما يرفع درجة الحرارة من المناطق المحيطة، وهذا يدفع تلك المناطق إلى الحالة الطبيعية أيضًا، مما يؤدي إلى مزيد من التسخين في تفاعل متسلسل، حيث يصبح المغناطيس بأكمله طبيعيًا بسرعة، فقد يستغرق ذلك عدة ثوانٍ اعتمادًا على حجم الملف فائق التوصيل.

ويأتي مع هذه العملية ضجة كبيرة، حيث يتم تبديل الطاقة في المجال المغناطيسي إلى حرارة وغليان كثيف للمبرد، إذ يمكن أن يعمل الانخفاض المفاجئ في التيار إلى حدوث طفرات وانحناء في الجهد الحثي للكيلو فولت، ومن القليل حدوث تلف دائم للمغناطيس، ولكن يمكن أن يحدث استهلاك للمكونات ولا تعمل؛ بسبب التسخين الموضعي أو الفولتية العالية أو القوى الميكانيكية الكبيرة.

ومن الناحية العملية يكون في المغناطيسات أجهزة أمان ليتوقف التيار أو ليتم تقييده عند رؤية بداية إخماد، فإذا حصل لمغناطيس كبير عملية إخماد فإن البخار الخامل الناتج عن تبخر السائل المبرد يمكن أن يشكل خطرًا كبيرًا للاختناق على المشغلين عن طريق إزاحة الهواء القابل للتنفس.