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科學家和工程師已經展示了一種構建和使用更強，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工程學院的副教授。“由于其緊湊的特性，該技術具有完全改變高場應用視野的巨大潛力。”

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品所做的事情，”他說。“這種創(chuàng)新技術可能會導致小型磁鐵在顆粒探測器，核聚變反應堆和醫(yī)學診斷工具等地方發(fā)揮重要作用。”

佛羅里達州立大學研究副總裁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科性質的致敬。

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

新材料，新穎的設計

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)造一個大的領域呢?通過使用有前途的新導體和新穎的磁鐵設計。

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

45-T中使用的超導體是鈮基合金，已經存在了幾十年。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體的兩倍多。這種電流密度至關重要：畢竟，通過電磁鐵運行的電流會產生電場，因此您可以越多地填充電場，電場越強。

同樣重要的是由SuperPower公司生產的特定REBCO產品 - 紙薄，帶狀線。

MagLab首席材料科學家David Larbalestier也是FAMU-FSU工程學院的教授，他看到該產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。

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

哈恩的創(chuàng)新：沒有絕緣的超導磁體。除了產生更光滑的儀器外，這種設計還可以保護磁鐵免受稱為淬火的故障。當導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，導致材料升溫并失去其超導特性。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，”自然論文的相應作者Larbalestier解釋道。

Hahn設計的另一個減肥方面涉及淬火：超導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。

在經驗豐富的MagLab工程師Iain Dixon的指導下，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體。

尋找答案使團隊走向了技術的最前沿 - 非常簡單。

由于生產限制，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。結果，已經切開的帶的側面在高磁場的機械應力下易于破裂。

“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設計目前正在考慮用于潛在破紀錄的未來超導磁體，該磁體現(xiàn)在由美國國家科學基金會資助研發(fā)。

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

即使面臨這些挑戰(zhàn)，科學家仍然對已經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已經表明它將繼續(xù)推動這一領域的前沿，以及隨之而來的突破。”

負責監(jiān)督MagLab資金的NSF項目經理Leonard Spinu回應了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的民主化，”他說。