Un imán superconductor es un electroimán hecho de bobinas de alambre superconductor . Deben enfriarse a temperaturas criogénicas durante el funcionamiento. En su estado superconductor, el alambre no tiene resistencia eléctrica y, por lo tanto, puede conducir corrientes eléctricas mucho más grandes que el alambre ordinario, creando campos magnéticos intensos. Los imanes superconductores pueden producir campos magnéticos más fuertes que todos los electroimanes , excepto los no superconductores más fuertes , y los imanes superconductores grandes pueden ser más económicos de operar porque no se disipa energía en forma de calor en los devanados. Se utilizan en instrumentos de resonancia magnética en hospitales y en equipos científicos como espectrómetros de RMN , espectrómetros de masas , reactores de fusión y aceleradores de partículas . También se utilizan para levitación, guía y propulsión en un sistema ferroviario de levitación magnética (maglev) que se está construyendo en Japón .
Durante el funcionamiento, los devanados magnéticos deben enfriarse por debajo de su temperatura crítica , la temperatura a la que el material del devanado cambia del estado resistivo normal y se convierte en un superconductor , que se encuentra en el rango criogénico muy por debajo de la temperatura ambiente. Los devanados se enfrían normalmente a temperaturas significativamente inferiores a su temperatura crítica, porque cuanto menor sea la temperatura, mejor funcionan los devanados superconductores (mayores serán las corrientes y los campos magnéticos que puedan soportar sin volver a su estado no superconductor). Se utilizan habitualmente dos tipos de sistemas de refrigeración para mantener los devanados magnéticos a temperaturas suficientes para mantener la superconductividad:
El helio líquido se utiliza como refrigerante para muchos devanados superconductores. Tiene un punto de ebullición de 4,2 K, muy por debajo de la temperatura crítica de la mayoría de los materiales de bobinado. El imán y el refrigerante están contenidos en un recipiente con aislamiento térmico ( dewar ) llamado criostato . Para evitar que el helio hierva, el criostato suele construirse con una cubierta exterior que contiene nitrógeno líquido (significativamente más barato) a 77 K. Alternativamente, se coloca un escudo térmico hecho de material conductor y mantenido en un rango de temperatura de 40 K a 60 K, enfriado por conexiones conductoras al cabezal frío del crioenfriador, alrededor del recipiente lleno de helio para mantener la entrada de calor a este último a un nivel aceptable. Uno de los objetivos de la búsqueda de superconductores de alta temperatura es construir imanes que puedan enfriarse solo con nitrógeno líquido. A temperaturas superiores a unos 20 K, se puede lograr el enfriamiento sin hervir los líquidos criogénicos. [ cita requerida ]
Debido al aumento de los costes y la disminución de la disponibilidad de helio líquido, muchos sistemas superconductores se enfrían utilizando refrigeración mecánica de dos etapas. En general, se emplean dos tipos de crioenfriadores mecánicos que tienen suficiente potencia de enfriamiento para mantener los imanes por debajo de su temperatura crítica. El crioenfriador Gifford-McMahon ha estado disponible comercialmente desde la década de 1960 y ha encontrado una aplicación generalizada. [1] [2] [3] [4] El ciclo regenerador GM en un crioenfriador funciona utilizando un desplazador de tipo pistón y un intercambiador de calor. Alternativamente, 1999 marcó la primera aplicación comercial utilizando un crioenfriador de tubo de pulso . Este diseño de crioenfriador se ha vuelto cada vez más común debido a la baja vibración y al largo intervalo de servicio, ya que los diseños de tubo de pulso utilizan un proceso acústico en lugar del desplazamiento mecánico. En un refrigerador típico de dos etapas, la primera etapa ofrecerá una mayor capacidad de enfriamiento pero a una temperatura más alta (≈ 77 K) y la segunda etapa alcanzará ≈ 4,2 K y < 2,0 W de potencia de refrigeración. En uso, la primera etapa se utiliza principalmente para la refrigeración auxiliar del criostato, mientras que la segunda etapa se utiliza principalmente para la refrigeración del imán.
El campo magnético máximo alcanzable en un imán superconductor está limitado por el campo en el que el material del devanado deja de ser superconductor, su "campo crítico", H c , que para los superconductores de tipo II es su campo crítico superior . Otro factor limitante es la "corriente crítica", I c , en la que el material del devanado también deja de ser superconductor. Los avances en imanes se han centrado en la creación de mejores materiales para los devanados.
Las partes superconductoras de la mayoría de los imanes actuales están compuestas de niobio-titanio . Este material tiene una temperatura crítica de10 K y puede superconducir hasta aproximadamente15 T. Se pueden fabricar imanes más caros de niobio-estaño (Nb 3 Sn). Estos tienen una Tc de 18 K. Cuando funcionan a 4,2 K, pueden soportar una intensidad de campo magnético mucho mayor, de hasta 25 T a 30 T. Desafortunadamente , es mucho más difícil fabricar los filamentos necesarios a partir de este material. Por eso, a veces se utiliza una combinación de Nb 3 Sn para las secciones de campo alto y NbTi para las secciones de campo bajo. El vanadio-galio es otro material utilizado para los insertos de campo alto.
Los superconductores de alta temperatura (por ejemplo, BSCCO o YBCO ) se pueden utilizar para insertos de alto campo cuando los campos magnéticos requeridos son más altos que los que puede manejar Nb 3 Sn. [ cita requerida ] BSCCO, YBCO o diboruro de magnesio también se pueden utilizar para conductores de corriente, conduciendo altas corrientes desde temperatura ambiente hasta el imán frío sin una gran fuga de calor acompañante de los conductores resistivos. [ cita requerida ]
Los devanados de las bobinas de un imán superconductor están hechos de cables o cintas de superconductores de tipo II (por ejemplo, niobio-titanio o niobio-estaño ). El cable o la cinta en sí pueden estar hechos de filamentos diminutos (de unos 20 micrómetros de espesor) de superconductor en una matriz de cobre . El cobre es necesario para añadir estabilidad mecánica y proporcionar una ruta de baja resistencia para las grandes corrientes en caso de que la temperatura suba por encima de T c o la corriente suba por encima de I c y se pierda la superconductividad. Estos filamentos deben ser tan pequeños porque en este tipo de superconductor la corriente solo fluye en una capa superficial cuyo espesor está limitado a la profundidad de penetración de London (véase el efecto pelicular ). La bobina debe diseñarse cuidadosamente para soportar (o contrarrestar) la presión magnética y las fuerzas de Lorentz que, de lo contrario, podrían provocar la fractura del cable o el aplastamiento del aislamiento entre espiras adyacentes.
La corriente que llega a los devanados de la bobina se suministra mediante una fuente de alimentación de CC de alta corriente y muy bajo voltaje , ya que en estado estable el único voltaje a través del imán se debe a la resistencia de los cables de alimentación. Cualquier cambio en la corriente a través del imán debe realizarse muy lentamente, primero porque eléctricamente el imán es un inductor grande y un cambio de corriente abrupto dará como resultado un gran pico de voltaje a través de los devanados, y más importante aún porque los cambios rápidos en la corriente pueden causar corrientes parásitas y tensiones mecánicas en los devanados que pueden precipitar un apagado (ver más abajo). Por lo tanto, la fuente de alimentación suele estar controlada por microprocesador, programada para lograr cambios de corriente gradualmente, en rampas suaves. Por lo general, se necesitan varios minutos para energizar o desenergizar un imán del tamaño de un laboratorio.
Un modo de funcionamiento alternativo utilizado por la mayoría de los imanes superconductores es cortocircuitar los devanados con un trozo de superconductor una vez que el imán ha sido energizado. Los devanados se convierten en un bucle superconductor cerrado, la fuente de alimentación se puede apagar y las corrientes persistentes fluirán durante meses, preservando el campo magnético. La ventaja de este modo persistente es que la estabilidad del campo magnético es mejor que la que se puede lograr con las mejores fuentes de alimentación, y no se necesita energía para alimentar los devanados. El cortocircuito se realiza mediante un "interruptor persistente", una pieza de superconductor dentro del imán conectada a través de los extremos del devanado, unida a un pequeño calentador. [5] Cuando el imán se enciende por primera vez, el cable del interruptor se calienta por encima de su temperatura de transición, por lo que es resistivo. Dado que el devanado en sí no tiene resistencia, no fluye corriente a través del cable del interruptor. Para pasar al modo persistente, la corriente de suministro se ajusta hasta que se obtiene el campo magnético deseado, luego se apaga el calentador. El interruptor persistente se enfría a su temperatura superconductora, cortocircuitando los devanados. Luego se puede apagar la fuente de alimentación. La corriente del devanado y el campo magnético no persistirán para siempre, sino que decaerán lentamente según una constante de tiempo inductiva normal ( L / R ):
donde es una pequeña resistencia residual en los devanados superconductores debido a las juntas o a un fenómeno llamado resistencia al movimiento del flujo. Casi todos los imanes superconductores comerciales están equipados con interruptores persistentes.
Un apagado es una terminación anormal del funcionamiento del imán que ocurre cuando parte de la bobina superconductora entra en el estado normal ( resistivo ). Esto puede ocurrir porque el campo dentro del imán es demasiado grande, la tasa de cambio de campo es demasiado grande (causando corrientes de Foucault y calentamiento resultante en la matriz de soporte de cobre), o una combinación de los dos. Más raramente, un defecto en el imán puede causar un apagado. Cuando esto sucede, ese punto en particular está sujeto a un rápido calentamiento Joule debido a la enorme corriente, que aumenta la temperatura de las regiones circundantes. Esto empuja también a esas regiones al estado normal, lo que conduce a un mayor calentamiento en una reacción en cadena. Todo el imán se normaliza rápidamente (esto puede tardar varios segundos, dependiendo del tamaño de la bobina superconductora). Esto va acompañado de un fuerte estallido a medida que la energía en el campo magnético se convierte en calor y una rápida ebullición del fluido criogénico . La disminución abrupta de la corriente puede provocar picos de voltaje inductivo de kilovoltios y arcos eléctricos. El daño permanente al imán es raro, pero los componentes pueden dañarse por calentamiento localizado, altos voltajes o grandes fuerzas mecánicas. En la práctica, los imanes suelen tener dispositivos de seguridad para detener o limitar la corriente cuando se detecta el comienzo de un enfriamiento. Si un imán grande sufre un enfriamiento, el vapor inerte formado por el fluido criogénico que se evapora puede presentar un riesgo significativo de asfixia para los operadores al desplazar el aire respirable.
Una gran parte de los imanes superconductores del Gran Colisionador de Hadrones del CERN se apagaron inesperadamente durante las operaciones de puesta en marcha en 2008, lo que hizo necesario el reemplazo de varios imanes. [6] Para mitigar los apagados potencialmente destructivos, los imanes superconductores que forman el LHC están equipados con calentadores de rampa rápida que se activan una vez que el complejo sistema de protección contra apagados detecta un evento de apagado. Como los imanes de flexión dipolar están conectados en serie, cada circuito de potencia incluye 154 imanes individuales y, si se produce un evento de apagado, toda la energía almacenada combinada de estos imanes debe descargarse de una vez. Esta energía se transfiere a vertederos que son bloques masivos de metal que se calientan hasta varios cientos de grados Celsius debido al calentamiento resistivo en cuestión de segundos. Aunque no es deseable, un apagado de imán es un "evento bastante rutinario" durante el funcionamiento de un acelerador de partículas. [7]
En ciertos casos, los imanes superconductores diseñados para corrientes muy altas requieren un encamado extenso, para permitir que los imanes funcionen a sus corrientes y campos planificados completos. Esto se conoce como "entrenamiento" del imán, e implica un tipo de efecto de memoria del material. Una situación en la que esto es necesario es el caso de los colisionadores de partículas como el Gran Colisionador de Hadrones del CERN . [8] [9] Los imanes del LHC fueron planeados para funcionar a 8 TeV (2 × 4 TeV) en su primera ejecución y 14 TeV (2 × 7 TeV) en su segunda ejecución, pero inicialmente se operaron a una energía menor de 3,5 TeV y 6,5 TeV por haz respectivamente. Debido a los defectos cristalográficos iniciales en el material, inicialmente perderán su capacidad superconductora ("apagado") a un nivel inferior a su corriente de diseño. El CERN afirma que esto se debe a fuerzas electromagnéticas que causan pequeños movimientos en los imanes, que a su vez hacen que se pierda la superconductividad cuando funcionan a la alta precisión necesaria para su corriente planificada. [9] Al hacer funcionar repetidamente los imanes a una corriente más baja y luego aumentar ligeramente la corriente hasta que se apaguen bajo control, el imán gradualmente adquirirá la capacidad requerida para soportar las corrientes más altas de su especificación de diseño sin que se produzcan apagones y cualquier problema de este tipo se "sacudirá" de ellos, hasta que finalmente puedan operar de manera confiable a su corriente planificada completa sin experimentar apagones. [9]
Aunque la idea de fabricar electroimanes con alambre superconductor fue propuesta por Heike Kamerlingh Onnes poco después de descubrir la superconductividad en 1911, un electroimán superconductor práctico tuvo que esperar al descubrimiento de materiales superconductores que pudieran soportar grandes densidades críticas de supercorriente en campos magnéticos altos. El primer imán superconductor exitoso fue construido por GB Yntema en 1955 usando alambre de niobio y logró un campo de 0,7 T a 4,2 K. [10] Luego, en 1961, JE Kunzler , E. Buehler, FSL Hsu y JH Wernick descubrieron que un compuesto de niobio y estaño podía soportar densidades críticas de supercorriente mayores de 100.000 amperios por centímetro cuadrado en campos magnéticos de 8,8 teslas. [11] A pesar de su naturaleza frágil, el niobio-estaño ha demostrado ser extremadamente útil en superimanes que generan campos magnéticos de hasta 20 T.
El interruptor persistente fue inventado en 1960 por Dwight Adams mientras era investigador asociado de posdoctorado en la Universidad de Stanford. El segundo interruptor persistente fue construido en la Universidad de Florida por el estudiante de maestría RD Lichti en 1963. Se ha conservado en una vitrina en el edificio de Física de la UF.
En 1962, TG Berlincourt y RR Hake [12] descubrieron las propiedades de campo magnético crítico alto y densidad de supercorriente crítica alta de las aleaciones de niobio-titanio. Aunque las aleaciones de niobio-titanio poseen propiedades superconductoras menos espectaculares que las de niobio-estaño, son altamente dúctiles, fáciles de fabricar y económicas. Útiles en superimanes que generan campos magnéticos de hasta 10 teslas, las aleaciones de niobio-titanio son los materiales supermagnéticos más utilizados.
En 1986, el descubrimiento de superconductores de alta temperatura por Georg Bednorz y Karl Müller dinamizó el campo, planteando la posibilidad de imanes que pudieran enfriarse con nitrógeno líquido en lugar del helio, con el que es más difícil trabajar.
En 2007, un imán con bobinados de YBCO logró un campo récord mundial de26,8 T. [13] El Consejo Nacional de Investigación de EE. UU. tiene como objetivo crear un imán superconductor de 30 teslas.
En 2014, la actividad económica mundial alcanzó un valor de casi seis mil millones de dólares, lo que hace indispensable la superconductividad. Los sistemas de resonancia magnética, la mayoría de los cuales utilizan niobio y titanio, representaron aproximadamente el 80% de ese total. [14]
En 2016, Yoon et al. informaron sobre un imán superconductor sin aislamiento de 26 T que construyeron a partir de GdBa 2 Cu 3 O 7– x , [15] utilizando una técnica que se informó previamente en 2013. [16]
En 2017, un imán YBCO creado por el Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos (NHMFL) rompió el récord mundial anterior con una fuerza de 32 T. Se trata de un imán de usuario totalmente superconductor, diseñado para durar muchas décadas. Mantiene el récord actual a fecha de marzo de 2018.
En 2019, el Instituto de Ingeniería Eléctrica de la Academia China de Ciencias (IEE, CAS) logró un nuevo récord mundial de 32,35 T con un imán totalmente superconductor. [17] También se utiliza una técnica sin aislamiento para el imán de inserción HTS.
En 2019, el NHMFL también desarrolló una bobina de prueba YBCO no aislada combinada con un imán resistivo y rompió el récord mundial del laboratorio para el campo magnético continuo más alto para cualquier configuración de imán a 45,5 T. [18] [19]
En 2020 se logró un imán de RMN de 1,2 GHz (28,2 T) [20] utilizando un imán HTS . [21]
En 2022, los Institutos de Ciencias Físicas de Hefei, Academia China de Ciencias (HFIPS, CAS) afirman que se alcanzó un nuevo récord mundial para el campo magnético estable más fuerte de 45,22 T, [22] [23] mientras que el récord anterior de 45,5 T del NHMFL en 2019 se alcanzó en realidad cuando el imán falló inmediatamente en un enfriamiento.
Los imanes superconductores tienen una serie de ventajas sobre los electroimanes resistivos . Pueden generar campos magnéticos mucho más fuertes que los electroimanes de núcleo ferromagnético , que están limitados a campos de alrededor de 2 T. El campo es generalmente más estable, lo que da como resultado mediciones menos ruidosas. Pueden ser más pequeños y el área en el centro del imán donde se crea el campo está vacía en lugar de estar ocupada por un núcleo de hierro. Los imanes grandes pueden consumir mucha menos energía. En el estado persistente (arriba), la única energía que consume el imán es la necesaria para el equipo de refrigeración. Se pueden lograr campos más altos con electroimanes resistivos enfriados, ya que las bobinas superconductoras entran en el estado no superconductor en campos altos. Se pueden lograr campos estables de más de 40 T, generalmente combinando un electroimán Bitter con un imán superconductor (a menudo como inserto).
Los imanes superconductores se utilizan ampliamente en escáneres de resonancia magnética , equipos de RMN , espectrómetros de masas , procesos de separación magnética y aceleradores de partículas .
En Japón, después de décadas de investigación y desarrollo del tren maglev superconductor por parte de los Ferrocarriles Nacionales Japoneses y más tarde de la Compañía de Ferrocarriles Centrales de Japón (JR Central), el gobierno japonés dio permiso a JR Central para construir el Chūō Shinkansen , que une Tokio con Nagoya y más tarde con Osaka. [ cita requerida ]
Uno de los usos más desafiantes de los imanes SC es en el acelerador de partículas LHC . [24] Sus imanes de niobio-titanio (Nb-Ti) operan a 1,9 K para permitirles funcionar de manera segura a 8,3 T. Cada imán almacena 7 MJ. En total, los imanes almacenan10,4 GJ . Una o dos veces al día, a medida que los protones se aceleran de 450 GeV a 7 TeV, el campo de los imanes superconductores de flexión aumenta de 0,54 T a 8,3 T.
Los imanes superconductores del campo toroidal y del solenoide central diseñados para el reactor de fusión ITER utilizan niobio-estaño (Nb 3 Sn) como superconductor. La bobina del solenoide central transporta una corriente de 46 kA y produce un campo magnético de 13,5 T. Las 18 bobinas del campo toroidal con un campo máximo de 11,8 T almacenan una energía de 41 GJ (¿total?). [ aclaración necesaria ] Se han probado a una corriente récord de 80 kA. Otros imanes del ITER de campo inferior (PF y CC) [ aclaración necesaria ] utilizan niobio-titanio. La mayoría de los imanes del ITER tienen su campo variado muchas veces por hora.
Un espectrómetro de masas de alta resolución planificado utilizaría un imán SC de 21 teslas. [25]
