Сверхпроводящие магниты. Что в итоге?
Если кто ещё не знает, я по-немногу пытаюсь писать научно-популярные очерки, и даже создала специально для этого сообщество dilettante_ru ;). Где-то с пару месяцев назад заинтересовалась я устройством сверхпроводящих магнитов побольше немного, чем это делала прежде. Ну, и параллельно про само явление сверхпроводимости кое-что интересное почитывала. Теперь вот делюсь результатами своих находок (я не жадная) в научпоповском сообществе: про сверхпроводящие магниты накропала следующее: некоторые факты из истории открытия явления сверхпроводимости и развития представлений о сверхпроводниках, что привело в конечном итоге к возможности создания сверхпроводящих постоянных магнитов. В целом, всей истории меньше 100 лет: в 1908 году только впервые получили жидкий гелий, в 1911 году открыли явление сверхпроводимости (для металлов), в 50-х годах была создана теория сверхпроводимости, в 1957 году - предсказано поведение сверхпроводников второго рода… вот тут-то и началось самое интересное.
Параллельно с дальнейшим исследованием самого явления, стало развиваться производство сверхпроводящих магнитов. Области применения сверхпроводящих магнитов довольно широкие, хотя до сих пор многие из них кажутся фантастическими. Одним из мощнейших потребителей сверхпроводящих магнитов стал метод, основанный на другом явлении, также открытом в XX веке -ядерного магнитного резонанса. Основываясь на этом явлении, сейчас бурно развиваются два направления - спектроскопия ЯМР и магнитно-резонансная томография. При этом, разумеется, имеются некоторые особенности в каждом случае, что сказывается на направлениях развития производства сверхпроводящих магнитов. Так, потребности томографистов в высоких полях не очень велики - им, как правило, достаточно полей до 7-8 Тесла. Однако, поскольку исследуемое тело помещается внутрь магнита, то, соответственно, в таком магните должно быть отверстие достаточно большого диаметра, такого, например, чтобы свободно помещался лежащий человек. А чем больше дыра внутри магнита, тем больше диаметр самого магнита, и тем больше требуется хладагентов для поддержания его работоспособности.
ЯМР-спектроскописты сталкиваются с другими проблемами. Отверстие в магните в этом случае сравнительно небольшое: оно составляет обычно 51 мм для тех спектрометров, где исследуют в основном жидкие образцы, и 89 мм, если спектрометр ориентирован на исследование твердого тела. Однако, поскольку чувствительность и разрешение спектроскопии ЯМР тем выше, чем выше приложенное постоянное поле, то совершенно правомерной является та гонка за каждым следующим Тесла, которая развернулась в последние годы в этой бурно развивающейся области. Здесь следует сказать, что открытие высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), то есть, таких материалов, которые обладают сверхпроводимостью при температурах сравнительно высоких, например, при температуре жидкого азота (77,4 К), пока не используется в промышленном производстве магнитов для спектроскопии ЯМР. В основном, для достижения «средних» в современной спектроскопии ЯМР полей в 8-14 Тесла, используют соленоиды из сплавов, критическая температура которых находится вблизи температуры кипения гелия - 4,15 К. Такой соленоид помещают в резервуар с жидким гелием. Для того, чтобы уменьшить потери гелия, резервуар с жидким гелием помещается в резервуар большего объёма, наполненный более дешёвым жидким азотом. Обычно, расход гелия в таких магнитах - до 1 литра в день, а азота - приблизительно на порядок больше.
На фотографии (это превьюшка, кликабельна) изображён процесс запуска сверхпроводящего магнита на 11,8 Тесла: заливка гелиевого резервуара (азотный был заполнен на предыдущем этапе). В этот момент магнит ещё, что называется, "не оживлён". Далее, уже после полного захолаживания системы, производится зарядка магнита током (в данный магнит было заведено 120 ампер). При нормальной эксплуатации, если всё будет с магнитом нормально, он уже в дальнейшем не нуждается в дополнительном электропитании.
В настоящее время в мире спектроскопии ЯМР идёт борьба за поле приблизительно в 23 Тесла. На языке ЯМР-щиков, поскольку привычнее оперировать не в терминах Тесла, а в частотных единицах для ядер водорода, это выражается как 1000МГц, или 1 гГц. Пока что, в промышленных масштабах, эта величина ещё не достигнута. Последним достижением пока является выпуск магнита на 950 МГц, который осуществила одна из крупнейших корпораций по производству сверхпроводящих магнитов фирма Oxford Instruments. Такой магнит похож на космолёт, и требует специального помещения, чтобы его разместить. Расход гелия в этом монстре составляет 10 литров в день, поскольку критическая температура для керамики, из которой сделан соленоид магнита, составляет меньше 2,5 К, и с целью достижения этой температуры внутри магнита оборудовано специальное устройство для дополнительного испарения гелия.
На самом деле, как я уже сказала выше, спектроскопия ЯМР (и близкая к ней магнитно-резонансная томография) - лишь один из пользователей сверхпроводящих магнитов. Но именно с этой областью их применения я сталкиваюсь в своей профессиональной деятельности. Даже немного прикоснувшись к теме сверхпроводимости, мне она кажется очень интересной и удивительной. Наверняка, здесь есть те, кто знает гораздо больше и о сфере применения сверхпроводников, и об их исследованиях. Дополняйте! Мне интересно про использование сверхпроводящих магнитов в генераторах и ускорителях, особенно интересует, действительно ли они используются для создания магнитных подушек в поездах-экспрессах и в приборах термоядерного синтеза, как об этом писали в 80-х, или всё-таки это осталось областью фантастики?