Supravodivé magnety umožňují vytvářet extrémně silná magnetická pole při minimálních energetických ztrátách. Využívají se v NMR spektrometrech, magnetické rezonanci, urychlovačích částic i ve výzkumu termonukleární fúze.
Supravodivé magnety jsou elektromagnety vyrobené ze supravodivých materiálů. Oproti běžným elektromagnetům mají několik výhod:
- Nevykazují elektrický odpor, proto je možné je jednou nabít, uzavřít obvod a nechat elektrický proud v cívce cirkulovat prakticky neomezeně dlouhou dobu.
- Jsou schopny vytvářet magnetická pole o řády silnější než běžné permanentní magnety a klasické elektromagnety.
Mají ovšem i nevýhody, hlavní je nutnost udržování magnetu pod kritickou teplotou supravodivého materiálu. V současnosti pracuje většina supravodivých magnetů při teplotě 4 K a nižší, což vyžaduje chlazení kapalným heliem, které je drahé a jeho dostupnost se zhoršuje. Pokud dojde u nabitého magnetu k vzestupu teploty nebo jiné veličiny (např. lokální intenzity magnetického pole) nad její kritickou hodnotu, materiál magnetu přejde do normálního (nesupravodivého) stavu a značná část energie uložené v magnetickém poli magnetu se uvolní ve velmi krátkém okamžiku a přemění se na teplo. Tento děj se nazývá quench a je doprovázen prudkým ohřátím magnetu a jeho okolí, což způsobí zplynění kryokapalin a vzestup tlaku uvnitř kryostatu. Může tím dojít i k poškození vlastního solenoidu. Malé magnety většinou quench přežijí bez poškození. Pro velké magnety (např. ve fúzních reaktorech), které pracují blízko hranice jejich stability mohou být následky neplánovaného quenche velmi nepříjemné, proto se využívají různé systémy detekce a ochrany magnetu.
Po dosažení požadované intenzity pole lze u mnoha supravodivých magnetů uzavřít supravodivý spínač a provozovat magnet v tzv. persistent mode, kdy proud cirkuluje v uzavřené smyčce bez externího napájení.
Materiály pro výrobu supravodivých magnetů
V současnosti se pro konstrukci supravodivých magnetů využívají slitiny kovů. Velmi často jde o NbTi (do 9 T) nebo Nb3Sn (nad 9 T), z kterých lze vyrábět velmi dlouhá (stovky metrů) a homogenní vlákna i pro ultra-silné magnety. Supravodivá vlákna jsou obvykle uložena v matrici z mědi nebo slitin CuNi, které zajišťují mechanickou stabilitu a ochranu vodiče při přechodu do normálního stavu. Za normálních okolností by měď fungovala jako vodič a cívku zkratovala. Ale jakmile solenoid vychladíme pod kritickou teplotu klesne odpor supravodivých vláken na nulu, takže proud protéká prakticky výhradně supravodivými vlákny, protože jejich elektrický odpor je nulový, zatímco odpor mědi zůstává nenulový. I když vlákny během provozu protékají proudy o velikosti stovek ampér, nemusí být jejich průměr nijak velký, právě díky absenci ohmického odporu.
V současnosti jsou již dostupné vysokoteplotní supravodivé pásky založené například na materiálech REBCO (Rare Earth Barium Copper Oxide). Ty umožňují konstrukci magnetů s intenzitou magnetického pole převyšující 20 T, jejich cena je však stále výrazně vyšší než u tradičních vodičů NbTi a Nb3Sn.
Následující tabulka shrnuje typické indukce různých zdrojů magnetického pole:
| Zdroj pole | Typická indukce |
| Země | ~50 µT |
| Neodymový magnet | 0,5 až 1 T |
| MRI | 1,5 až 7 T |
| Běžný NMR magnet | 7 až 14 T |
| Moderní výzkumné magnety | 20 až 45 T |
Řez NMR magnetem
Chemik se asi nejčastěji potká se supravodiči v NMR magnetech. Obrázek dole zobrazuje řez NMR magnetem od firmy Varian. Jsou vidět jednotlivé dewarky pro kapalný dusík a kapalné helium, uvnitř heliové dewarky je umístěna vlastní supravodivá cívka. Plášť a obě dewarky jsou izolovány evakuovanými prostory, aby se minimalizovaly tepelné ztráty.
Využití supravodivých magnetů
Tyto magnety se využívají v aplikacích vyžadujících silné magnetické pole.
- NMR
- MRI – lékařská technika určená k zobrazování tkání
- Urychlovače částic – pro urychlení elektricky nabitých částic je nutné použít velmi intenzivní elektromagnetické pole
- Maglev – vlak pohybující se na magnetickém polštáři
- Reaktory ITER – termonukleární fúzní reaktor, magnetické pole udržuje žhavou plazmu uvnitř reaktoru, aby se nedotýkala stěn
- Výzkum magnetických vlastností látek
Literatura
- Characteristics of Superconducting Magnets
- Inside of an NMR Spectrometer – ukázka rozebraného magnetu z 200 MHz NMR spektrometru
- A 20-T superconducting magnet system
10 Replies to “Supravodivé magnety”