Partikelacceleratorerna som möjliggör högenergifysik och tjänar många vetenskapsområden, såsom material-, medicin- och fusionsforskning, drivs av supraledande magneter som är, för att uttrycka det enkelt, ganska petiga.
Supraledare är en speciell klass av material som, när de kyls under en viss temperatur, bär stora elektriska strömmar utan motstånd. Om du ordnar materialet i spolar kommer strömmen som passerar att producera starka magnetfält, som effektivt lagrar den potentiella energin hos de rörliga elektronerna i form av ett magnetfält.
Men om de blir för varma – och med varma menar vi bara några grader över -452 Fahrenheit (4,2 Kelvin), eller temperaturen på flytande helium – kan de plötsligt återfå sitt elektriska motstånd och skingra energin från magnetfältet i en snabb hetta.
En nyare typ av supraledare, känd som högtemperatursupraledare (HTS), är redo att inleda ytterligare en revolution för vetenskap och teknik. Dessa supraledare har potential att producera ännu högre magnetfält samtidigt som de arbetar vid enklare att underhålla temperaturer än traditionella supraledande magneter.
I de nya HTS-materialen är dessa oönskade uppvärmningshändelser, kända som "släckar", särskilt kostsamma, eftersom de kan förstöra magneten, skada närliggande komponenter och tömma betydande volymer av de dyrbara flytande kylmedierna som används för att kyla magneten. På grund av deras kraftfulla egenskaper är dessa magneter ett hett ämne för forskning och utveckling för närvarande, men att skydda dem från destruktiva händelser är ett stort hinder för deras breda tillämpning.
Den bästa lösningen skulle vara att designa HTS-magneter som inte släcker i första hand.
Det är vad forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) arbetar med.
Maxim Marchevsky och Sören Prestemon från Accelerator Technology &Applied Physics (ATAP) Division har utvecklat en strategi för att identifiera förhållanden under vilka HTS-magneter kan fungera säkert utan risk för en plötslig värmeuppbyggnad som gör att magneten misslyckas.
"Detta är något som liknar att designa ett plan för att möjliggöra säker landning vid motorbortfall, i motsats till att designa planet för att överleva en krasch", säger Prestemon, som är biträdande teknikchef för ATAP-divisionen. Deras arbete publicerades nyligen i Superconductor Science and Technology .
Eftersom HTS-magneter kan tolerera högre densitet av den elektriska strömmen och ett bredare temperaturområde samtidigt som de fungerar som en supraledare, är de mindre benägna att släckas än sina motsvarigheter vid låg temperatur. Att upptäcka en mötande släckning är dock svårare i HTS-magneter eftersom de supraledande egenskaperna stängs av i mycket små fickor av materialet.
Det betyder att spolens enorma magnetiska energi omvandlas till värme över ett litet område, vilket gör att temperaturen snabbt stiger till extrema på den platsen.
En sådan förlust i supraledning orsakas typiskt av att strömmen överskrider supraledarens kapacitet, till exempel på grund av brister i materialets struktur eller av ökad värme som orsakas av antingen ett kylsystemsfel eller en stöt på magneten av felaktig snabbrörelse. partiklar från acceleratorn eller fusionsreaktorn. Oavsett vilket är den resulterande släckningen svårare att övervaka och kan nå punkten utan återvändo snabbare än att befintliga begränsningssystem kan aktiveras.
Lyckligtvis har flera decennier av HTS-forskning och utveckling avslöjat att dessa material kan tolerera mindre uppbyggnad av värme men stannar i supraledareläge. Med hjälp av denna kunskap insåg Marchevsky och Prestemon att de kunde beräkna ett fönster av operationsparametrar där HTS-ledaren kommer att fungera utan att någonsin gå utom kontroll till en släckning.
"På grund av det kan vi faktiskt ta itu med problemet på ett annat sätt. Vi kan leta efter ett tecken på värme någonstans i magneten, och om vi upptäcker det tidigt nog kan vi säkert köra ner strömmen utan att faktiskt släcka magneten", säger Marchevsky , en stabsfysiker i ATAP.
Forskarnas teoretiska arbete validerades med experiment med hjälp av tejpformade prover av Bi-2223 HTS-material (en förening av vismut, strontium, kalcium, koppar och syre) som försågs med hög ström i en miljö där små temperaturfluktuationer kunde vara upptäckt och jämfört med de numeriska förutsägelserna.
Nästa steg blir att testa deras tillvägagångssätt på faktiska spolar lindade med HTS-ledarmaterial för att replikera den form de skulle ha inuti partikelacceleratorer och enheter som MRI-maskiner.
För att framgångsrikt upptäcka pre-quench-tillståndet i dessa spolar planerar forskarna att använda mycket känsliga temperaturövervakningssystem som utvecklats av dem själva och deras kollegor i ATAP, en grupp med djup expertis inom grundläggande och tillämpad acceleratormagnetvetenskap.
"Det kommer att finnas vissa utmaningar eftersom vi måste ha distribuerad mätning av temperatur, men det är något vi har arbetat med ganska mycket under de senaste åren", sa Marchevsky. Han noterade att traditionella släckningsdetekteringssystem för lågtemperaturmagneter övervakar motståndet över magneten, vilket inte fungerar bra för HTS-magneter. "Olika nya tekniker undersöks och bäddas in i våra riktiga prototypmagneter."
Deras tekniker inkluderar ultraljudsbaserade, radiofrekvensbaserade och fiberoptiska sensorsystem. Det senare tillvägagångssättet är den primära kandidaten för användning i experimentella plasmafusionsenergireaktorer, som är en av de första verkliga tillämpningarna av HTS-magneter vid horisonten. Plasmafusionsreaktorer behöver kraftfulla magneter för att begränsa blandningar av överhettade laddade partiklar i ett litet utrymme, och HTS-magneter ser lovande ut för att möjliggöra ett genombrott inom detta område.
Marchevsky och Prestemon hoppas att distribuerade temperatursystem som övervakar hela magneten kommer att kunna varna operatörer om någon region närmar sig den övre änden av det säkra temperaturfönstret. Då kan strömmen som levereras till magneten reduceras och släckning undvikas.
Om det lyckas kan tillvägagångssättet möjliggöra en utbredd användning av HTS-magneter, vilket i slutändan leder till mycket högre magnetfält och magnetsystem som är billigare att underhålla än deras motsvarigheter vid låg temperatur. Dessa besparingar skulle hjälpa till att sänka kostnaderna för all acceleratordriven forskning och underlätta fusionsenergins månskottsmål.
"Den grundläggande vetenskapen och precisionsdiagnostiken som kombineras i det här arbetet exemplifierar den oöverträffade uppsättningen av "mesoscale to magnet"-funktioner som labbet ger till drivkraften för högtemperatursupraledare som transformativ teknologi över acceleratorer, fusion och applikationer, säger Cameron Geddes, ATAP Divisionsdirektör.
Mer information: M Marchevsky et al, Kriterium för termiskt runaway som grund för skydd av högtemperatursupraledarmagneter, Superconductor Science and Technology (2024). DOI:10.1088/1361-6668/ad20fe
Tillhandahålls av Lawrence Berkeley National Laboratory
