Сверхпроводящий магнит

Сверхпроводящий магнит — это электромагнит, обмотка которого изготовлена из сверхпроводящего материала. Основное отличие от обычных электромагнитов заключается в том, что при охлаждении обмотки до температуры ниже критической (температуры перехода в сверхпроводящее состояние) её электрическое сопротивление падает до нуля. Это позволяет пропускать через обмотку токи огромной силы (сотни и тысячи ампер) без выделения тепла и потерь энергии, что, в свою очередь, даёт возможность создавать магнитные поля чрезвычайно высокой напряжённости — от нескольких тесла до десятков тесла, недостижимые для традиционных резистивных магнитов.

История

Идея использования сверхпроводимости для создания сильных магнитных полей возникла вскоре после открытия самого явления. В 1911 году Хейке Камерлинг-Оннес впервые наблюдал сверхпроводимость в ртути. Уже в 1913 году он предпринял попытку создать сверхпроводящий соленоид из свинца, но магнитное поле, разрушившее сверхпроводимость, оказалось слишком слабым. Камерлинг-Оннес столкнулся с фундаментальным ограничением: сильное магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние.

В 1930-х годах были открыты сверхпроводники второго рода (сплавы, интерметаллиды), которые способны сохранять сверхпроводимость в гораздо более сильных магнитных полях. Однако практическое применение стало возможным только после 1961 года, когда была обнаружена сверхпроводимость в интерметаллиде Nb₃Sn (триниобий-олово) и сплаве NbTi (ниобий-титан). Эти материалы, названные «жёсткими» или «высокополевыми» сверхпроводниками, могли выдерживать поля до 10–15 Тл.

Первый практически значимый сверхпроводящий магнит был создан в 1961 году в Массачусетском технологическом институте (США). Он генерировал поле около 0,7 Тл. С тех пор технология быстро развивалась. В 1970-х годах началось промышленное производство магнитов на основе NbTi, а в 1980-х — на основе Nb₃Sn. Открытие в 1986–1987 годах высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) — купратов, таких как YBa₂Cu₃O₇, — позволило поднять рабочую температуру с уровня жидкого гелия (4,2 К) до температуры жидкого азота (77 К), что значительно упростило и удешевило криогенное обеспечение.

Устройство и принцип действия

Основными элементами сверхпроводящего магнита являются:

1. Сверхпроводящая обмотка (катушка). Изготавливается из многожильного провода или ленты на основе сверхпроводящего материала (NbTi, Nb₃Sn, ВТСП-ленты). Провод часто заключается в медную или алюминиевую матрицу для стабилизации и защиты.
2. Криостат. Теплоизолированный сосуд, в котором обмотка охлаждается до рабочей температуры. Обычно используются жидкий гелий (4,2 К) или жидкий азот (77 К), а также криокулеры (замкнутые холодильные машины).
3. Источник питания. Обеспечивает подачу тока в обмотку. После выхода на рабочий режим источник может быть отключён, так как ток в замкнутой сверхпроводящей цепи циркулирует без затухания (режим «персистентного тока»).
4. Система защиты. Предотвращает разрушение магнита при аварийном переходе в нормальное состояние (квенч). Включает шунтирующие резисторы, диоды или активные схемы, поглощающие энергию магнитного поля.

Принцип действия основан на законе Ампера и явлении сверхпроводимости. При протекании тока по виткам обмотки создаётся магнитное поле. В сверхпроводнике электрическое сопротивление отсутствует, поэтому ток может быть очень большим, а магнитное поле — сильным. Для поддержания сверхпроводимости необходимо, чтобы температура, магнитное поле и плотность тока не превышали критических значений для данного материала.

Классификация

Сверхпроводящие магниты классифицируются по нескольким признакам.

По типу сверхпроводника

• Низкотемпературные (НТСП). Работают при температурах ниже 30 К (обычно 4,2 К). Используют NbTi (до 9–10 Тл) и Nb₃Sn (до 20–23 Тл). Требуют охлаждения жидким гелием.
• Высокотемпературные (ВТСП). Работают при температурах до 77 К (жидкий азот) и выше. Используют купраты (например, YBCO, Bi-2223) и железосодержащие сверхпроводники. Позволяют создавать поля свыше 25 Тл.

По режиму работы

• Стационарные (постоянного тока). Создают постоянное магнитное поле. Наиболее распространённый тип.
• Импульсные. Генерируют короткие мощные импульсы поля. Используются в ускорителях и физических экспериментах.

По конструкции

• Соленоиды. Простейшая форма — цилиндрическая катушка. Обеспечивают однородное поле внутри.
• Тороидальные и полоидальные катушки. Используются в термоядерных установках (токамаках, стеллараторах) для удержания плазмы.
• Дипольные, квадрупольные и секступольные магниты. Создают поля специальной конфигурации для фокусировки и управления пучками заряженных частиц в ускорителях.

Применение

Сверхпроводящие магниты нашли широкое применение в науке, технике и медицине.

Научные исследования

• Ускорители частиц. Крупнейшие ускорители, такие как Большой адронный коллайдер (LHC, ЦЕРН, Швейцария), используют тысячи сверхпроводящих дипольных и квадрупольных магнитов для управления пучками протонов. Магнитное поле в LHC достигает 8,3 Тл.
• Установки управляемого термоядерного синтеза. В токамаках (например, ИТЭР, строящийся во Франции) сверхпроводящие магниты создают тороидальное и полоидальное поля для удержания плазмы. Магнитная система ИТЭР — одна из крупнейших в мире.
• Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Сверхпроводящие магниты с полем до 23,5 Тл (1000 МГц по частоте протонного резонанса) используются в ЯМР-спектрометрах для изучения структуры молекул.
• Физика конденсированного состояния. Магниты с полем до 45 Тл (гибридные, комбинирующие сверхпроводящие и резистивные катушки) применяются для исследования свойств материалов в сильных магнитных полях.

Медицина

• Магнитно-резонансная томография (МРТ). Наиболее массовое применение. Сверхпроводящие магниты с полем 1,5–3 Тл (реже 7 Тл) создают однородное поле для получения изображений внутренних органов. МРТ-сканеры — одни из самых распространённых сверхпроводящих устройств в мире.

Промышленность и транспорт

• Магнитная сепарация. Сверхпроводящие магниты используются для извлечения слабомагнитных частиц из руд, воды и других сред.
• Маглев-транспорт (поезда на магнитной подушке). В некоторых проектах (например, в Японии) сверхпроводящие магниты на борту поезда взаимодействуют с путевыми катушками, обеспечивая бесконтактное подвешивание и движение.
• Накопители энергии (SMES). Сверхпроводящие индуктивные накопители энергии могут запасать энергию в магнитном поле и быстро её отдавать, что используется для стабилизации энергосетей.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая напряжённость поля. Сверхпроводящие магниты способны генерировать поля, недостижимые для обычных электромагнитов (свыше 20 Тл в стационарном режиме).
• Энергоэффективность. После выхода на режим ток циркулирует без потерь, что делает эксплуатацию (без учёта охлаждения) значительно более экономичной, чем у резистивных магнитов.
• Компактность. Для создания сильного поля требуется меньше витков и меньший объём обмотки по сравнению с обычным магнитом.
• Стабильность поля. В режиме персистентного тока поле чрезвычайно стабильно во времени.

Недостатки

• Необходимость криогенного охлаждения. Требуется сложное и дорогостоящее оборудование (криостаты, системы сжижения или хранения криогенных жидкостей).
• Высокая стоимость. Сверхпроводящие материалы, особенно ВТСП-ленты, и криогенная инфраструктура делают магниты дорогими в производстве и эксплуатации.
• Опасность квенча. Аварийный переход в нормальное состояние может привести к быстрому выделению огромного количества тепла и механическим разрушениям. Требуются сложные системы защиты.
• Ограничения по материалу. Не все сверхпроводники подходят для изготовления обмоток, особенно в условиях сильных полей и механических напряжений.

Интересные факты

• Самый мощный в мире сверхпроводящий магнит (на 2024 год) — гибридный магнит Национальной лаборатории сильных магнитных полей (США), который в 2019 году достиг рекордного поля 45,5 Тл. Его сверхпроводящая часть выполнена из ВТСП-ленты.
• В магнитно-резонансных томографах используется режим персистентного тока: после намотки и охлаждения магнит «заряжают» током, после чего источник питания отключают, и поле сохраняется годами.
• Крупнейшая магнитная система в мире строится для международного термоядерного реактора ИТЭР. Она включает 18 тороидальных катушек массой около 300 тонн каждая, создающих поле 11,8 Тл.
• В 2023 году российские учёные из Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (Новосибирск) разработали и испытали прототип сверхпроводящего магнита для коллайдера NICA (Объединённый институт ядерных исследований, Дубна). Магнит на основе NbTi обеспечивает поле 2 Тл и предназначен для фокусировки пучков ионов.

Источники

• А. А. Абрикосов. «Основы теории сверхпроводимости». — М.: Наука, 1987.
• М. Н. Вильсон. «Сверхпроводящие магниты». — М.: Мир, 1985.
• В. В. Шмидт. «Введение в физику сверхпроводников». — М.: МЦНМО, 2000.
• Материалы Национальной лаборатории сильных магнитных полей (MagLab, США).
• Технический отчёт по проекту ИТЭР (ITER Organization).
• Статья «Сверхпроводящий магнит» в Большой российской энциклопедии (БРЭ).