Магнитные рекорды

    Сегодня поговорим о рекордных магнитах и немного о том, зачем они нужны.

    image
    Магниты такой конструкции (резистивные биттеровские магниты) остаются рабочими лошадками лабораторий сильных магнитных полей.

    Основным потребителем самых сильных магнитов весь 20 век была наука. Термоядерные установки, ускорители, исследования на базе ядерного магнитного резонанса, нейтронная физика, охлаждение до температур ниже 1 кельвина и много еще чего требует как можно большего значения магнитной напряженности/индукции (при рассмотрении «силы» поля, можно считать эти величины синонимами).


    image
    Еще одним рекордным магнитом, о котором мы сегодня говорить не будем, является двойной диполь ускорителя БАК — из 1232 таких набрано его основное кольцо. Поле ~9 Т создается сверхпроводящим кабелем из NbTi охлажденным до 1,8К

    Прежде чем перейти к конкретным конструкциям, стоит вспомнить, что энергия магнитного поля, сила его воздействие на электрические заряды и диамагнетики зависит от индукции B как квадрат. Т.е. поле в 10 Тесла несет в 100 больше энергии, чем поле в 1 Тесла. При этом важной характеристикой является давление поле на токовые трубки, которое равно 4 B^2 атмосфер. Т.е. для конструктора магнита поле в 100 Т эквивалетно попытке создать баллон на 40000 атмосфер — крайне непростая задача. Отсюда же видно, что мощные магниты с большим рабочим объемом (как у ИТЭР) — это еще большая сложность, чем просто мощные магниты.

    image
    Еще одним необычным рекордом являются сверхпроводящие магниты немецкого стелларатора Wendelstein 7-X со сложнейшей геометрией.

    Итак, начнем мы с определения некоторых координат. Для постоянных магнитов, которые выпускает промышленность, характерны значения поля от 0,01 до 0,5 Т, причем неодимовые магниты в 0,5 Т уже воспринимаются как “сильные”. Рекорд, который можно выжать из постоянных магнитов ~1,5 Т у самой поверхности.

    В электрических машинах (двигателях, генераторах, трансформаторах) поле внутри железных магнитопроводов ограничивается насыщением железа, полями где-то в 1,8-2,2 Т. В воздушном зазоре типичного асинхронного двигателя вы увидите скорее всего поле 0,5-0,8 Т, для рекордных по энергомассовым характеристикам BLDC моторов (4-5 кВт/кг) — 1...1,2 Т.

    image
    Довольно оригинальным применением силы неодимовых магнитов является 19 кВт электродвигатель (на снимке — красный цилиндр), 2 таких крутят насосы окислителя и горючего на новом ракетном двигателе «Резерфорд» компании Rocket lab.

    Где-то начиная с 1,5 Т обычные медные электромагниты начинают испытывать трудности, прежде всего с отводом тепла. Необходимость перемежать медь с трубками водяного охлаждения, а также растущее межвитковое напряжение вздувает размеры магнита гораздо быстрее, чем растет поле. Витки, которые располагаются дальше от рабочего объема вносят относительно небольшой вклад в поле, а значит ток в основном расходуется на нагрев магнита, а не на создание поля.

    Медь

    Однако с 1930х годов и почти до сих пор рекордные стационарные поля достигались в практически обычных водоохлаждаемых медных магнитах. Это так называемые Биттеровские магниты, представляющие собой медную пластинку свитую в спираль и имеющую хитрую систему продольных каналов охлаждения. Для этих магнитов характерны чудовищные плотности тока (до 700 А/мм^2), электрические мощности в 1,10 и даже 30 мегаватт, и расход охлаждающей воды в десятки и сотни литров в секунду. Первый магнит на 10 Т был пущен в 1936 году, и следующие 30 лет держал рекорд по стационарному полю.

    imageАмериканские биттеровские магниты 60-х годов на 25 Тесла.

    Эта конструкция магнитов затем неоднократно оптимизировалась, и на сегодня рекорд поля в таких магнитах доведен до 38,5 Т в китайской лаборатории CHMFL. Мощность магнита составила 28,5 МВт с расходом охлаждающей воды в 500 литров в секунду (кстати, похоже к мощности магнита надо добавить еще примерно такую же на насосы, которые прокачивают эту воду через магнит). Ток около 36 тысяч ампер. При этом рекордное поле достигается в объеме диаметром всего 32 мм и длинной около 70 мм.

    image
    image
    image
    Китайский рекордный резистивный магнит — один заход спирали соленоида (из сплава CuAg), разрез и набор коаксиальных катушек.

    Резистивные магниты сегодня подошли к лимитам возможностей материалов, и максимальное доступное поле в них растет в основном экстенсивно — за счет наращивания мощности системы питания и охлаждения, увеличения количества катушек. Подобные магниты сегодня в основном используются для изучения очень разнообразных физических явлений в небольших образцах, зачастую при низкой температуре. Поэтому такие магниты работают в центрах коллективного использования, когда физики привозят свои образцы и аппаратуру, устанавливают ее на магнит и измеряют нужные им величины. Для маленьких образцов вполне удобно использовать магниты с небольшим просветом, типа 20-30 мм.

    image
    Верхушка биттеровского магнита на 30 Т без крышки. Здесь видно отверстие исследовательской камеры и щели для подачи охлаждающей воды.

    Однако есть еще одно применение больших магнитных полей сегодня — это ЯМР-томография, т.е. построение карт плотности тканей за счет взаимодействия водорода с радиоизлучением в сильном магнитном поле. Чем выше поле — тем большее пространственное разрешение системы. Для таких систем нужен довольно большой рабочий объем магнита а также высокая гомогенность поля. Исследования в области сверхпроводимости в свою очередь требуют криостатов, которые с трудом помещаются в диаметр 32 мм, да и поле для некоторых сверхпроводников нужно больше.

    image
    Немножко забегая вперед — сверхпроводящий ЯМР-томограф со сверхвысоким полем (21Т), просветом 110 мм и пример получаемого изображения с разрешением в 26 мкм

    Поэтому с 80х годов 20 века появляется направление гибридных магнитов, идея которых заключается в том, чтобы поместить биттеровский магнит внутрь сверхпроводящего, поля которых сложатся. Это позволяет поднимать поле и дальше без роста и без того монструозных требований по мощности и расходу охлаждающей воды.

    Гибриды

    Вставка магнита Биттера внутрь сверхпроводящего означает, что последний должен иметь рабочий просвет в 400-800 мм, т.е. значительно больше, чем рекорды, которые мы видели до этого. Магниты с большими рабочими объемами но меньшим полем пришли в лаборатории сильных магнитных полей от разработчиков токамаков, где в конце 70х были созданы сверхпроводящие магниты на основе холодных сверхпроводников — ниобата олова и титана. В середине 80х в французской лаборатории сильных магнитных полей LNCMI создают гибридный магнит из 11Т сверхпроводящего и 22Т биттеровского с общим полем в 31Т, а в 2000 году американская National MagLab запускает установку гибридом с полем в 45Т, которая является рекордной до сих пор среди всех магнитов с постоянным полем.

    image
    Корпус всего магнита (слева) и криостата (справа)

    image
    Разрез гибридного магнита по криостату. Кстати, конструкция внешнего сверхпроводящего магнита, спроектированная для этой установки затем была использована еще в трех рекордных магнитах.


    45 тесловый гибрид использует три внешних сверхпроводящих магнита и 4 внутренних резистивных типа “Биттер-флорида”. Резистивная часть потребляет 29 мегаватт при токе 74 кА и создает поле в 31 Т. Сверхпроводящая часть магнита создает поле в 14 Т и состоит из внешних обмоток из NbTi и внутренних из Nb3Sn, работает на токе в 8 кА при температуре 4,2 К. Просвет криостата сверхпроводящего магнита — 500 мм.

    image
    Сверхпроводящий внешний магнит гибрида на 45Т

    image
    И внутренний биттеровский магнит. Так 2,5 метра корпуса превращается в 32 мм рабочей камеры.


    Для сравнения, напомню, что тороидальный магнит ИТЭР имеет ток проводинка в 68 кА, поле 12,8 Т при просвете 9000х7000 мм, т.е. можно представить, насколько далеко ИТЭР двинул вперед технологии низкотемпературных сверхпроводящих магнитов.

    image
    Кстати, в лабораторных магнитах используют проводник с гораздо меньшим током, наматывая больше витков — это упрощает систему питания да и сам проводник. Обратной стороной этого является бОльшие электрические напряжения в системе, когда сверхпроводник внезапно переходит в нормальное состояние.

    Кроме ИТЭР эти технологии двинулись вперед с появлением промышленных высокотемпературных сверхпроводников. Если низкотемпературные СП в принципе не позволяют создать поля выше 22 Т, т.е. они могут быть только частью рекордного магнита, то для ВТСП этот лимит расширяет до как минимум 45 Т.

    image
    Зависимость критической плотности тока от поля у разных сверхпроводников. Кстати, вы задумывались когда-нибудь, что за оборудование используется для построения этих диаграмм и почему они упираются в 45Т?

    Сегодня новое направление создания рекордных магнитов — это полностью сверхпроводящие и сейчас все ведущие лаборатории мира (Китай, Нидерланды, Франция, США)проектируют СП-магниты на 30+ Т. Здесь тоже пока впереди всех флоридская MagLab, где началась сборка полностью сверхпроводящего магнита на 32 Т. Здесь 15 Т будет создаваться внешними магнитами из NbTi и Nb3Sn, а еще 17 — двухслойным ВТСП магнитом из YBCO лент. “Высокотемпературные” сверхпроводники здесь используются как имеющие гораздо более высокие критические поля при температуре жидкого гелия, чем “низкотемпературные”.

    image
    Проект полностью сверхпроводящего магнита на 32Т

    Технологии данного магнита потребовали почти 10 лет разработок, основные проблемы лежали в области очень высоких пондеромоторных сил со стороны мощного магнитного поля на витки с током. Механические напряжение в YBCO катушках достигает 700 МПа — здесь, кстати, хорошо помогает то, что ВТСП-лента по сути в основном состоит из никелевого сплава с высокими прочностными характеристиками — медь такие напряжения не выдерживает.

    image
    НИОКР высокопольного ВТСП магнита.

    Второй класс проблем связан с аварийной потерей сверхпроводящего состояния, и вывода тока из катушек. В частности, чтобы избежать пережога из-за медленного распространения нормальной зоны в катушки встроены нагреватели, которые при обнаружении перехода прогревают всю катушку, так чтобы энергия поля выделялась более равномерно.

    image
    Буквально недавно была изготовлена внутренняя рабочая катушка из ВТСП ленты, скоро можно ожидать запуска и сборки магнита.

    Этот магнит будет обладать “холодным” рабочим объемом, и хорошо подойдет для изучения конденсированных состояний материи и квантовых эффектов в твердом теле, при этом по эксплуатационным расходам это совершенно другой класс устройств, в частности криостат, система криоснабжения и внешний СП-магнит из НТСП являются серийными изделиями, выпускаемымим фирмой Oxford Instruments.

    image

    Вообще oxford instruments — крупнейший поставщик сверхпроводящих магнитов, в основном для всякого научно-лабораторного применения на поля 3-15Т. В проекте ИТЭР эта фирма, например, поставляет магниты на 6Т для гиротронов

    Вообще прежде чем перейти к следующим рекордсменам, хочется сказать о нескольких применениях таких магнитов за пределами просто предоставления стенда с высоким магнитыми полем.

    Одним из основных прикладных потребителей серийных высокополевых магнитов являются ЯМР-спектрометры, рабочий инструмент химиков. Фирма Bruker, в частности, серийно производит спектрометры с полем до 23,5Т (у таких установок, кстати, есть довольно большие проблемы с экранированием такого поля от окружающих людей и предметов).

    image
    Исторический рост частоты ЯМР-спектрометров, что позволяет улучшать качество ЯМР-спектров.

    Вторым серийным потребителем являются ЯМР-томографы высокого разрешения, которые применяются в биологических и нейробиологических исследованиях. Здесь поля доходят до 21Т. Наконец, чуть менее прикладным потребителем являются центры с нейтронными источниками, один из методов исследования магнитно-квантовых явлений — это изучение рассеяния нейтронов на материи в сильном магнитном поле, а также холодильники для субмикрокельвиновых температур, требующие полей от 8 до 20 Т.


    Видео со сборки 26Т магнита с большим просветом для исследования рассеиния поляризованных нейтронов на материи в Helmholtz-Zentrum Berlin

    Импульсные магниты

    Основные инженерные проблемы создания высокопольных магнитов — теплоотвод и прочность — сильно облегчаются, если перейти от постоянного магнитного поля к импульсному. В свою очередь импульсные системы делятся на многоразовые и одноразовые :)

    Интересно, что пионером в области импульсных магнитов был Петр Капица, занимавшийся подобными установками в 20х годах в лаборатории Кавендиша в Англии. Замыкая выход большого вращающегося генератора на соленоид он получал до 50 Т в течении нескольких миллисекунд. Такой подход позволял измерять многие величины связанные с большими магнитными полями даже в 20х, а с современной регистрирующей техникой вообще можно назвать такое поле почти квазистационарным.

    image
    Капица и его машина для создания импульсных магнитных полей.

    Улучшая данный подход, в 60х разработчики переключились с вращающихся электромеханических источников энергии на конденсаторы и генераторы импульсов напряжения, позволяющие создать в медной катушке плотность тока во многие килоамперы на мм^2.

    В сочетании с силовым подкреплением в виде стальной матрицы и захолаживанием жидким азотом (для снижения сопротивления, что уменьшает потребное напряжение, что облегчает изоляцию в таком магните) в 2012 году импульсные медные магниты достигли 101,2 Т в течении 1 миллисекунды — это значение на сегодня является рекордом (и принадлежит оно коллаборации американской ядерной оружейной лаборатории LANL и флоридской MagLab).


    Видео про достижение рекордного значения поля в 101,2 Т. Впрочем, видно тут мало что, да и вообще такое ощущение, что конструкция магнита засекречена, известны только общие значения

    Такое значение достигается также с помощью нескольких вложенных катушек, внешние из которых дают длинный импульс (около 2 секунд) амплитудой до 45 Т, а внутренние — короткий импульс в 65 Т. Такая схема позволяет выдерживать напряжения в проводнике за пределом текучести материалов.

    Интересно, что мощность такого магнита достигает нескольких гигаватт.

    image
    Генератор, который закорачивают на внешние обмотки магнита для получения рекордных импульсных полей.

    К сожалению, пока не видно каких-то путей по заметному увеличению значения поля в многоразовой установке. Однако если разрушение установки нам не страшно, то 101 Т — далеко не предел.

    Самым простым вариантом тут является кусок меди, свернутый в виток, на который подключается высоковольтные конденсаторы. Такая схема позволяет получить и 300 и 400 тесла, правда на очень короткое время (порядка микросекунды) в объеме нескольких кубических миллиметров, что для экспериментатора, который занимается изучением топологии поверхностей Ферми в твердых телах, например, является довольно сложными ограничениями.

    image
    Импульс поля на одноразовом магните.

    Довольно элегантный выход из этих ограничений был найден еще в 50х годах путем изобретения взрывомагнитных генераторов. Здесь затравочное магнитное поле в 10-20 Т сжимается до 2800 (!)Т. Делается это с помощью металлического цилиндрического лейнера, который с помощью цилиндрической взрывной волны от заряда взрывчатки коллапсирует к своей оси. При этом продольное магнитное поле увеличивается примерно в 100-200 раз. По сравнению с предыдущей схемой во взрывомагнитном генераторе можно получить чуть большее время импульса магнитного поля, и чуть бОльший объем для образца, правда ценой гораздо более сложной постановки эксперимента.

    image
    image
    Взрывомагнитный генератор и его принципиальная схема.

    Еще в 50х годах с помощью ВМГ были измерены разнообразные характеристики материалов в экстремальном магнитном поле — проводимость, вращение поляризации (эффект фарадея), сжатие магнитного поля ядра атома и т.п. Еще одним интересным результатом является возможность ускорения такими магнитными полями металлических объектов до скоростей порядка 100 км/с.

    Ограничения по полю у взрывомагнитных генераторов в свою очередь опять довольно фундаментально и связано с давлением магнитного поля, которое достигает десятков мегабар и останавливает металлический лейнер. 3000 тесла тут видимо является асимпотическим пределом.

    В свою очередь, бОльшие значения давления (гигабары) достигаются в установках лазерной имплозии, и чисто теоретически такие установки способны создать магнитные поля в десятки тысяч и даже 100 тысяч тесла, правда в течении наносекунд и в микронных объемах. Сам сфокусированный лазерный импульс от петаваттного лазера имеет переменное магнитное поле амплитудой еще больше — миллион тесла и выше. Конечно, условия, в которых возникает такое поле (плотная плазма температурой в сотни эВ — десятки кэВ) далеки от интересов прикладной науки, но весьма интересны науке фундаментальной.

    image
    История рекордов магнитного поля для разных типов установок (многоразовых :))

    Завершая обзор магнитных рекордов стоит вспомнить про магнетары — молодые нейтронные звезды с высокими магнитными полями. Высокие здесь — это до 100 миллиардов Тесла. Магнитное поле такого порядка, к примеру обладает плотностью энергии в 10^25 Дж на кубический метр, эквивалент mc^2 для вещества в 10000 раз плотнее свинца. Наблюдения за магнетарами (и обычными нейтронными звездами, поля которых в тысячи раз меньше) позволяют лучше понять поведения материи и пространства в подобных условиях, дополняя лабораторные исследования рекордными магнитами.
    AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

    More
    Ads

    Comments 61

      +2
      Читал в вашем блоге пару дней назад. Очень интересно!
      Хотелось бы узнать, а столь сильные поля в томографах высокого разрешения не вредны?
        +2

        Года три назад, я прочел, что проблемы с током крови из-за МГД-эффектов должны начаться в поле 18-21 Тесла, но найти снова эту статью не могу.


        Примерно при таких же значениях индукции поле должно начаться ощущаться как сила из-за диамагнитного вытеснения человеческой ткани.


        С другой стороны, рекордный ЯМР-томограф для человека сейчас (заработает в следующем году) — 11,7 Т, т.е. еще далеко до этих проблем.


        Ну и наконец — для мышек есть томограф 20 тесла, и они там вроде живые остаются, так что может быть 18-20 тесла является перестраховкой.

          0
          НЯП(!) людей из темы, поле томографа заметно после 3T, — в поле надо передвигаться медленно, etc.
            +1
            Вот я «человек из темы», регулярно плотно общаюсь с магнитами на 3Т (в МРТ Siemens).
            Не знаю, никаких ощущений магнитного поля не было никогда. Ну разве что в кармане монетка завалялась или какой-то винтик — тогда ой.
              +1

              Не знаю, мне вот тоже кажется, что не будет никаких ощущений. Все эти привкусы и головокружения почему-то и в ПЭТ и в рентгеновских томографах тоже появляются. Думается, что это все чистая психосоматика. Лежишь в огромной страшной машине медиков — тут не только головокружение и привкус, тут как бы в обморок не упасть...

                0
                Она ещё и звуки издаёт, как будто из фильмов по произведениям Кинга :-)
                –1
                помните мультфильм «Простоквашино», эпизод про кота, где мама ставит выбор папе, или она, или кот? — «Тебя я 20 лет знаю, а этого кота — в первый раз вижу».
              +1
              Насколько помню, вредно не только само поле, но и его перепады, поэтому к МРТ всегда приложена «фура» с оборудованием, которое не дает полю томографа меняться резко.
                –1

                Слышал от знакомых про лечебные магнитные приборы, которые "кровь разгоняют" магнитным полем. Это правда или вымысел?

                  0

                  Если бы у этих магнитов было сильное поле, да ещё и переменное, тогда они действительно могли бы изменять ток крови. Но имеющиеся постоянные магниты очень слабые.


                  Одному учёному выдали шнобелевскую премию за то, что он живую лягушку подвесил в магнитном поле. Даже диамагнетики реагируют на сильные магнитные поля.

                    +2
                    Одному учёному выдали шнобелевскую премию за то, что он живую лягушку подвесил в магнитном поле.

                    — а следом, ЕМНИП, ему дали Нобелевку за графен, ага.
                      +1
                      Одному учёному выдали шнобелевскую премию за то, что он живую лягушку подвесил в магнитном поле. Даже диамагнетики реагируют на сильные магнитные поля.

                      Андрей Гейм, ага.


                      Там, кстати, есть и научная новизна, на деле. Конфигурация поля, что бы лягушка была стабильна очень непростая должна быть, при поле 17Т, емпни — довольно сложная задача для СП-техники начала 2000х.

                        0
                        Конфигурация поля, что бы лягушка была стабильна очень непростая должна быть
                        Это вам не кошку на квадрокоптере катать, для тестирования автоматики.
                          0

                          Лягушку подвесили в биттеровских магнитах:


                          levitating frog: https://www.youtube.com/watch?v=A1vyB-O5i6E
                          AP Archive: https://www.youtube.com/watch?v=KlJsVqc0ywM


                          http://www.ru.nl/hfml/research/levitation/diamagnetic/ "A little frog (alive !) and a water ball levitate inside a Ø32mm vertical bore of a Bitter solenoid in a magnetic field of about 16 Tesla at the Nijmegen High Field Magnet Laboratory."


                          http://www.ru.nl/publish/pages/682806/frog-ejp.pdf "Of Flying Frogs and Levitrons (pdf, 229 kB)" by M.V.Berry and A.K.Geim, 1997
                          http://www.ru.nl/publish/pages/682806/everyonesmagnetism.pdf "Everyone's Magnetism (pdf, 689 kB)" by A.Geim, Physics Today, Sep.1998

                            +1

                            Спасибо! Я читал давно, память слегка подвела, биттеровский магнит вместо сверхпроводящего, и конфигурация поля не такая сложная (нужен определенный градиент при определенном значении поля всего-то).


                            Интересно, что Гейм работал в High Field Magnet Laboratory (University of Nijmegen) — одна из трех в мире крутейших лаб с большими магнитами (на середину 90х).

                        0
                        Мне кажется вымысел. IMHO, чтобы магнитное поле сделало что-то с организмом, надо очень постараться. Помнится, кому-то дали Шнобелевскую премию за то, что заставили левитировать лягушку в магнитном поле, так та ногами дрыгала.
                          –1
                          Имеется в виду, воздействие магнитного поля на молекулы гемоглобина. Люди на этих приборах бизнес делают.
                            +1
                            Е-бизнес. На-е-бизнес!
                        0
                        Есть статья (и видео в тытрубе) про диэлектрическую магнитную левитацию. Лягушки и кузнечики в поле 20-40 тесла бултыхаются себе без всякого вреда. Они ощущают состояние невесомости, т.к. гравитационное притяжение в каждом атоме их организма компенсировано магнитной выталкивающей силой. Так же висящая капля воды тоже колышится как в видео с МКС.
                          0

                          Нету там полей "20-40 тесла", в реальности меньше 10, если вы про вот это https://www.youtube.com/watch?time_continue=4&v=KlJsVqc0ywM

                            0
                            Кузнечику надо меньше, лягушке больше. В статье автора установки говорилось о 25 тесла, но не сказано в каком опыте.
                      0
                      Интересно, какие программные пакеты используются для расчета обмоток стеллатора?
                        +2

                        Эм, сложно ответить на этот вопрос, много разных, т.к. и задачи разные стоят — смоделировать токовые линии, расчитать силы Лорнца и спроектировать корпус, тепловой расчет и теплогидравлический для жидкого гелия....


                        У меня вот есть такая статья, где описывается производство этих магнитов, может там ссылки есть и на коды, которые при разработке использовались.

                        0
                        Не подскажете, какие характеристики магнита и время воздействия являются достаточными для намагничивания железа для изготовления постоянных магнитов?
                          0

                          В постоянных магнитах не разбираюсь, там есть свои сложности. Но думаю, что 2-3 тесла на 1 минуту хватит, что бы преодолеть любой магнитный момент железного магнита.

                            +3

                            А чем определяется такое большое время — одна минута?

                              +3

                              Определяется юридическим подходом — если я скажу "1 секунда" и этого окажется мало, то мне предъявят, а так точно будет работать :)


                              На самом деле, как я уже сказал, смутно представляю, как в деталях происходит намагничивание, и какие там временные рамки.


                              У меня в ЖЖ возникла дискуссия насчет того, какое максимальное теоретическое поле может быть у постоянных магнитов. Поле так и не вывели, но по объемной энергии и магнитному моменту теоретические кристаллы ферромагнетиков в несколько раз превосходят значение Nd-Fe-B магнитов.

                              +1
                              на 1 минуту хватит

                              Могу ошибаться, но решающее значение имеет сила, а не время, т.е. можно использовать короткий импульс, длительность которого больше времени насыщения намагничиваемого материала.
                                +1

                                Скорее всего ошибаюсь я — как уже говорил, не разбираюсь в постоянных магнитах. В любом случае больше — не меньше.

                              +3
                              Решающее значение имеет «сила» импульса. Наша контора выпускает импульсные установки намаганичивания, с полем ~1 Тл внутри индуктора, но в реальных условиях никто «на воздухе» не намагничивает. Изготавливается ферромагнитная оснастка-сердечник с зазором, которая концентрирует магнитное поле в нужном месте, одновременно усиливая его.
                                +2
                                Насколько я знаю, для неодимовых магнитов нужны поля 3-4Тл, но достаточно короткого импульса.
                                Вот видео как это делают на китайском производстве.
                                0
                                Интересная статья, спасибо.
                                  0
                                  Высокие здесь — это до 100 миллиардов Тесла. Магнитное поле такого порядка, к примеру обладает плотностью энергии в 10^25 Дж на кубический метр, эквивалент mc^2 для вещества в 10000 раз плотнее свинца.

                                  А можно по подробнее про магнетары?
                                  Чем вызвано и как поддерживается столь чудовищное поле?
                                  И что будет с космическим кораблем если он хотя бы влетит в систему с такой звездой?
                                    +3
                                    А можно по подробнее про магнетары?

                                    Вообще это отдельная большая тема. Это молодые нейтронные звезды, которые при рождении быстро вращались и за счет механизма альфа-магнитного динамо перевели энергию вращения в энергию магнитного поля.


                                    Чем вызвано и как поддерживается столь чудовищное поле?

                                    Токами сверхпроводящими в таких условиях протонами в коре звезды.


                                    И что будет с космическим кораблем если он хотя бы влетит в систему с такой звездой?

                                    Уже в полях несколько тысяч тесла разнесет в пыль. Это наверное за несколько миллионов километров до центра звезды. Впрочем и излучение и гравитация в этой точке тоже должны быть нешуточные, так что тут надо внимательно оценить, от чего корабль умрет раньше.

                                      0
                                      Спасибо за ответы и интересный материал.

                                      Но в статье, раз уж тем более про магнетары не забыли, — явно не хватает информации по магнетизму нашего Солнца. Как по его упрощённому дипольному виду и характерным значениям, так и по магнитным петлям с протуберанцами. Это всё очень интересно.

                                      Может ли, например, в плане нагрузок от магнитных полей, корабль нырнуть в фотосферу нашей звезды? Или хотя бы на расстоянии в десять «диаметров» пролететь без необратимых разрушений?

                                      Ну и поля планет системы, включая скромную Землю, не забыть было бы прекрасно.
                                        +2
                                        Но в статье, раз уж тем более про магнетары не забыли, — явно не хватает информации по магнетизму нашего Солнца.

                                        Как-то далековато от темы статьи, не находите? Магнитары приведены, как пример природного рекорда магнитного поля.


                                        Может ли, например, в плане нагрузок от магнитных полей, корабль нырнуть в фотосферу нашей звезды?

                                        Без проблем, в среднем индукция поля Солнца порядка миллитесла — всего в 10 раз больше земной.

                                          0
                                          Может и так, может и наоборт в тему, я лишь скромно предложил. И что точно — спасибо за ответ на комментарий.

                                          А про магитные петли Солнца — скозь саму нить петли лететь возможно? Интересно же.
                                            0
                                            Учитывая что температура (кинетическая) плазмы протуберанцев от 15 тысяч градусов — из чего вы собрались делать корабль для пролёта через них?
                                              0
                                              Для этого у корабля должно быть собственное сильное магнитное поле. Плазма это ионы — их просто можно не допускать до физического касания обшивки. А по форме корабль может быть, например, толстостенным цилиндром, этакой огромной летающей катушкой индуктивности, с (термо)ядерным реактором на борту.

                                              Так что вопрос в том, а не слишком ли жёсткое по показателям естественное поле в петле протуберанца.
                                                +1
                                                Поле там напряжённостью порядка нескольких сотен эрстед, при скорости движения частиц (концентрация которых порядка 10^10 см^-3) десятки-сотни километров в секунду.
                                                  0
                                                  От ионов-то вы может и защититесь, а вот что делать с обычным светом?..
                                                  Плотности мощности светового излучения от Солнца уже на расстоянии где-то в миллион километров от него хватит чтобы расплавить вольфрам.
                                      0
                                      Стоило бы добавить зачем нужны медные вставки в сверхпроводящую проволоку.
                                        +1

                                        Эм, зачем (добавлять?). У меня в блоге есть довольно много текстов про сверхпроводящие магниты, там я довольно подробно этот момент рассказывал, а здесь зачем?

                                          0
                                          Не думаю, что все читают Ваш блог, а медная матрица сильно усложняет производство проволоки для соленоидов. И раз уж после ЛС не правите — поправьте, пожалуйста после прилюдного обращения:
                                          для вакуумного поля эти величины равны с точностью до константы
                                            +1
                                            Не думаю, что все читают Ваш блог, а медная матрица сильно усложняет производство проволоки для соленоидов.

                                            А я бы сказал наоборот, медная матрица, путем не очень большого усложнения позволяет резко поднять удельные характеристики низкотемпературных СП. в т.ч. рабочую плотность тока и максимальную индуктивность секции магнита.


                                            для вакуумного поля эти величины равны с точностью до константы

                                            Простите, я не понимаю, где здесь ошибка.

                                              +1
                                              Медь нужна в первую очередь на случай перехода — это шунт низкого сопротивления. Вакууумного поля не существует, да и любые измеримые величины равны с точностью до константы, иногда размерной.
                                                +1
                                                Медь нужна в первую очередь на случай перехода — это шунт низкого сопротивления.

                                                Я в курсе. Зачем это писать в тексте про рекордные магниты? Там много технологических тонкостей, медная матрица для филаманетов — один из них...


                                                Вакуумного поля не существует

                                                Существует — это поле, рассчитанное магнитостатически без учета взамодействия с материалом в объеме поля.


                                                да и любые измеримые величины равны с точностью до константы, иногда размерной.

                                                Я согласен, что фраза получилась корявая. Но я не понимаю, как мне объяснить, скажем, инженерам, которые привыкли в к напряженности магнитного поля, а не к индукции, что в принципе это величины схожие — поле и реакция на него, и что можно мысленно приравнять напряженность к индукции при оценке "силы" магнита.

                                                  0
                                                  «Эти величины пропорциональны», я верно понял?
                                                    0

                                                    В общем, переписал этот момент, раз столько вопросов вызывает. На самом деле, вопрос связи H и B довольно фундаментальный, наверное не стоит вообще углубляться.

                                        +3
                                        500 литров воды в секунду! Это ж для охлаждения магнита в постоянном режиме нужно градирню строить! Ну и наверняка вода не комнатной температуры, а околонулевой. Наверняка водоподготовка серьезная, дистилляция, противопенные какие-нибудь добавки…
                                        Сейчас именно тот случай, когда про «сопутствующие» технические решения интересно узнать не меньше, чем про целевое использование.
                                          0
                                          500 литров в секунду это ни о чем. Сброс с одного блока АЭС охлаждающей воды — 50 кубометров в секунду, т.е. в 100 раз больше.
                                            +1

                                            Магнит, который потреблял бы воды на охлаждение как гигаваттный блок АЭС, был бы, конечно, еще более впечатляющим, только вот что-то не дают на такие денег.

                                          +4
                                          Как обычно: попытка объять необъятное. Из не корректного: высокие поля в томографии не увеличивают пространственное разрешение, только спектральное. Для пространственного разрешения ставят сильнее градиенты, высокое поле увеличивает отношение сигнал шум ( фактически прямо пропорционально). Относительно чувствительности к высоким полям — она индивидуальна (у человека), даже в 9.4Т есть те, кто абсолютно невосприимчив, а есть — кто и в 1.5Т не может быть, хотя я видел страдающих и в mock сканерах. Для интересующихся строением больших МРТ машин есть обзор в sci instruments, ссылку позже могу дать.
                                            +2
                                            Для пространственного разрешения ставят сильнее градиенты, высокое поле увеличивает отношение сигнал шум ( фактически прямо пропорционально).

                                            Т.е. в итоге, если мы хотим поднять пространственное разрешение, то надо поднимать поле?


                                            Относительно чувствительности к высоким полям — она индивидуальна (у человека), даже в 9.4Т есть те, кто абсолютно невосприимчив, а есть — кто и в 1.5Т не может быть, хотя я видел страдающих и в mock сканерах.

                                            Это психология или конкретные физиологические явления?

                                            0
                                            что такое signal-to-noise ratio? Если в 3Т надо померяться один раз, то в 1Т 3 раза, грубо говоря. Но если в 1Т поставить систему на 70 мТ\м, а на 3Т 20 мТ/м, то как не упирайся, а ничего не выйдет.

                                            чувствительность к полю можно разделить на физиологическую и психологические, например, металлический вкус это физиологический, а головокружение и то и то.
                                              0
                                              что такое signal-to-noise ratio? Если в 3Т надо померяться один раз, то в 1Т 3 раза, грубо говоря.

                                              Обычно логарифм или квадратный корень, что бы поднять SNR в 3 раза надо измерения удлинить в 9 раз.


                                              Но если в 1Т поставить систему на 70 мТ\м, а на 3Т 20 мТ/м, то как не упирайся, а ничего не выйдет.

                                              Это понятно, но есть ли какие-то цели, с которыми производители могли бы сделать томограф на 3Т кроме как улучшения пространственного разрешения?

                                            0
                                            А есть томографы на ВТСП, почему тут недавно статья была про томографы исключительно на гелии?
                                              +2
                                              Высокопольные магниты на ВТСП, а это всегда — ВТСП-II (второго поколения, сиречь), — это всегда магниты на околожидкогелиевых температурах. В лучшем случае — на околожидконеоновых.

                                              Они, конечно, и при жидком азоте — СП, да вот только ни того критического поля, ни той критической температуры вы при жидком азоте от них не увидите. Именно потому и _гелий_.
                                                +1
                                                А есть томографы на ВТСП

                                                Насколько я понимаю, только опытные пока, ну и не знаю, можно ли серийные томографы Columbus на MgB2 считать ВТСП....


                                                Почему так? Потому что NbTi банально дешевле и хорошо освоен.

                                                0
                                                Еще есть вот такая (ссылка на англ. вику, там чуть другая инфа), весьма интересная штука.

                                                Only users with full accounts can post comments. Log in, please.