Wstęp do nadprzewodnictwa

Transkrypt

1 WSTĘP 1. Wstęp do nadprzewodnictwa 2. Zasilanie kriogeniczne (chłodzenie) 3. Zasilanie i zabezpieczenie elektryczne (zimne diody; przepusty HTS) 4. Kriostaty 5.Procesy przejściowe 6. Zastosowanie sc w fizyce jądrowej nadprzewodnikowe elektromagnesy źródło pola magnetycznego źródła jonów (DECRISEsc; Krion) przepusty prądowe elmag gł i elmag korekcyjnych chłodzenie wiązki jonowej 7. Magnetochromatografia 8. Separacja (oczyszczanie węgla z S; wzbogacanie rud Ti, met ziem rzadkich) 9. Medycyna (Gantri sc) 2

2 Wstęp do nadprzewodnictwa 1. Nadprzewodniki: zerowa rezystancja; efekt Maissnera 2. Teoria BCD; pary Coopera; nadprzewodnictwo I i II rodzaju 3. Materiały nadprzewodnikowe niskotemperaturowe (NbTi; Nb3Sn) 4. Materiały nadprzewodnikowe HTS Stany normalny i nadprzewodzący Niskotemperatuowe (NbTi-10K) Fi włókien od 1um; matryca Cu Prąd w sc płynie po powierzcni sc dlatego technologia drutu nadprzewodnikowego ukierunkowana na osiągnięcie max Ssc/Vsc Wysokotemperaturowe nadprzewodniki (BSCCO-2223; YBCO-123) I generacji - ceramika w matrycy srebrnej (srebrno-złotej) II generacji sc osadzony na podłożu niklowym I generacji II generacji HTS I generacji matryca Ag/ Ag+Au HTS II generacji (podłoże Ni) 3

3 4 Zasilanie kriogeniczne - chłodzenie nadprzewodnikowych elektromagnesów

4 5 Zasilanie kriogeniczne metody chłodzenia 1. Chłodzenie: w kąpieli max efektywność; wysokie koszty 2. chłodzenie kontaktowe niewielka efektywność, niewielkie koszty (moc cieplna cryocoolerów) Warunek aplikacji -uzyskania stanu sc w sys magnetycznym ( temperatura nadprzewodnika niższa krytycznej) 2. Koszty chłodzenia w kąpieli; kontaktowego- za pomocą cryocoolera; porównanie kosztów chłodz. 3. Efektywność chłodzenia; jak zwiększyć efektywność chłodzenia przy cłodz. cryocool. (chłodzenie z rekondensacją helu) układ napędowy tłoków I stopień chłodzenia II stopień chłodzenia zawór wylotowy gazu zawór wlotowy gazu zasilanie elektryczne napędu tłoków wkład regeneratora regenerator I stopnia zimny koniec I stopnia zimny koniec II stopnia. Koszty chłodzenia w kąpieli; kontaktowego- za pomocą cryocoolera; komora kompresji granica ruchu przesuwnika regenerator/przesuwnik pozycja linia przerywana odnosi się do matrycy regeneratora komora rozprężania

5 Inne konstrukcje kriokullerów i puls-tub Rekondensator helu 10 l/dzień Kriokuler 5 W/4,2 K Puls-tuba 1,5 W/4,2K

6 Kriokulerowy system chłodzenia Zalety prosta konstrukcja kriostatu prosta obsługa kriochłodziarki praca elektromagnesu w dowolnym położeniu mobilność systemu Wady mała moc chłodzenia złożona konstrukcja elektromagnesu i przepustów prądowych złożona konstrukcja układu zabezpieczenia elektromagnesu

7 Nowe-stare zastosowanie krikulera; system rekondensacji W systemach wymagających wysokiej efektywności chłodzenia, jest możliwe zastosowanie systemu chłodzenia w kąpieli z kriokulerem w układzie wspomagania kriogenicznego W układzie rekondensacji helu Produkowane układy z rekondensatorem maja wydajność do 24l/h W nadprzewodnikowych systemach magnetycznych (jak NUKLOTRON), wymagających znacznych zmian prądu w uzwojeniu, trudne będzie zastosowanie Chłodzenia kriokulerowego elektromagnesów ze względu na duże straty w miedzianej matrycy uzwojenia przy zmianie prądu. Wczesniej należy obliczyć średnią moc cieplna generowaną w uzwojeniu elektromagnesu

8 Kriostaty sc-elmag z cryocoolerowym chłodzeniem procesy przejścowe - Warunek wykorzystania kriokulerów do chłodzenia elektromagnesów nadprzewodnikowych: - moc cieplna cryocoolera musi być większa od strat związanych z dopływem ciepła do kriostatu przez zawieszenie, przewody elektryczne (przepusty prądowe), straty energetyczne w uzwojeniu. - Warunek ekonomicznej pracy dobra izolacja cieplna w kriostacie (materiały izolacyjne; zawieszenia; przepusty prądowe) izolacja próżniowa; superizolacja żywice; materiały stopowe materiały HTS z matrycą stopową; HTS II generacji 9

9 Zabezpieczenie nadprzewodnikowych systemów magnetycznych Warunki stabilnej pracy elektromagnesów Temperatura krytyczna nadprzewodnika - temperatura chłodzenia - temperatura pracy 9,8K 4,2-5,4K 6,4K Energia w uzwojeniu elektromagnesu rzędu 10 9 J Minimalna energia utraty nadprzewodnictwa - rzędu 10-3 J (W) Minimalna krytyczna długość strefy rezystywnej - kilka milimetrów Możliwość nierównomiernego rozkładu temperatury w uzwojeniu, w czasie przejścia --konsekwencją wydzielenie całej energii elektromagnesu w części rezystywnej i zniszczenie (stopienie) całego uzwojenia. Prędkość rozprzestrzeniania się strefy rezystywnej w nadprzewodniku - kilka-kilkanaście m/s Czas przejścia od kilkudziesięciu ms do kilku s. Skuteczne zabezpieczenie elektromagnesu poprzez: szybkie wyprowadzenie energii z elektromagnesu na zewnątrz kriostatu (lub w karkasie) - równomierne rozprowadzenie energii w całym uzwojeniu elektromagnesu Warunek: Szybka detekcja stanu rezystywnego Stworzenie warunków równomiernego rozkładu temperatury wewnątrz uzwojenia 10

10 KRIOSTATY dlachłodzenia w kąpieli i w układach z cryocoolerem Kriostaty naczynia do utrzymania stałej niskiej tempratury w przestrzeni roboczej Różnica w budowie przy pracy z krioagentami (cieczami) a cryocoolerami (zawieszenie; izolacja; przepusty dla kriomagnesów) zasadnicze różnice Przy chłodzeniu w kąpieli Praca z cieczami kriogenicznymi wymusza ustawienie obiektu chłodzonego tylko w jednym położeniu. Pojawiają się problemy z uszczelnianiem naczyń przy kriogenicznej (helowej) temperaturze. Przy chłodzeniu kriokulerem Praca z kriokulerami daje możliwość ustawienia obiektu cłodzonego w dowolnym położeniu ; Połączenia póżniowe pracują w temperaturze pokojowej 11

11 Stany przejściwe w elektromagnesach sc Stany przejściowe problemem w eksploatacji urządzeń nadprzewodnikowych -Wysoka temperatura uzwojenia - stres termiczny - stres mechaniczny - wysokie napięcie - znaczne siły elektrodynamiczne Warunki stabilnej pracy elektromagnesów Temperatura krytyczna nadprzewodnika - temperatura chłodzenia - temperatura pracy 9,8K 4,2-5,4K 6,4K Energia w uzwojeniu elektromagnesu rzędu 10 9 J Minimalna energia utraty nadprzewodnictwa - rzędu 10-3 J (W) Minimalna krytyczna długość strefy rezystywnej - kilka milimetrów 12

12 System zabezpieczenia elektromagnesu z diodami zimnymi 13

13 Zasady zabezpieczenia sekcjonowanego elektromagnesu zimnymi diodami Рис. 3. фланце Расположение выводов магнита на боковом

14 Zastosowanie sc w fizyce jądrowej - nadprzewodnikowe elektromagnesy źródło pola magnetycznego - źródła jonów (DECRISEsc; Krion) przepusty prądowe elmag gł i elmag korekcyjnych chłodzenie wiązki jonowej 15

15 Pierwsze doświadczenia z technologią nadprzewodnikowa zdobywano (pocz. 80) przy budowie NUKLOTRONU (JINR) pierwszego nadprzewodnikowego akceleratora Pomiar temperatury kriogenicznej (rezystory węglowe TBO) Pomiar pola magnetycznego Ekranowanie pola magnetycznego za pomocą nadprzewodników Technologia chłodzenia ciekły hel pod ciśnieniem w rurkach z melchioru na które nawijano przewód sc Systemy zabezpieczania uzwojeń elektromagnesu (wyprowadzanie energii) Pierwszy nadprzewodnikowy spektrometr SFERA Doświadczenia i technologie nadprzewodnikowe z budowy Nuklotronu są wykorzystywane obecnie do budowy boostera, collidera i detektora MPD w projekcie NICA Doświadczenia i technologie nadprzewodnikowe z budowy Nuklotronu były i są wykorzystywane przy projektowaniu nadprzewodnikowego elektromagnesu dla ALICE oraz nadprzewodnikowego ekranu dla wiązki (ostatecznie zastosowano klasyczne układy) oraz w budowie systemu magnetycznego dla projektu FEER (Niemcy) oraz do budowy systemów przyspieszających w superkolajderze w CERNie 16

16 Duze nadprzewodnikowe elektromagnesy Projekt nadprzewodnikowego elektromagnesu dla Spektrometru ALICE w CERNie (wykonany w ZIBJ Dubna) [długośc 6m; średnica 5m]

17

18 19 Źródła jonów W latach 80-tych zaprojektowano i wykonano w naszym sektorze pierwszy nadprzewodnikowe źródło jonów z polem 3,5 T dla lab. produkującego błony trekowe (filtry molekularne) (źródło pracuje do chwili obecnej) W latach 90-tych zaprojektowano jeszcze dwa takie źródła

19 Zrodlo jonow DECRIS sc Schemat systemu magnetycznego

20 Elektromagnes nadprzewodnikowy DECRIS-sc w trakcie oprzyrządowania oraz montażu w kriostacie

21 Końcowy etap montażu elektromagnesu DECRIS-sc, oraz kompletne urządzenie z zamontowanym cryocoolerem

22 Źródło jonów KRION dla pierwiastków - do uranu włącznie Konstrukcjaelektromagnesu sc 6 T o wysokiej jednorodnosci kriokul er kriosta t Ekran ELEKTROMAGNES term I step (40K) II step (4,2K)

23 KRION Криостат и вакуумная система КРИОН-6Т Dlaczeg Parametry

24 25

25 System elektronowego chłodzenia wiązki jonowej Warunkiem działania takiego systemu jest budowa układu magnetycznego z dużą jednorodnością pola magnetycznego W klasycznym wykonaniu Sys mag tworzy szereg wąskich elektromagnesów ustawionych współosiowo tak, by utworzyc system o największej jednorodności (uzyskuje się wartości do 10-4)

26 Ekrany nadprzewodnikowe zamknięte i otwarte Zastosowanie w ogranicznikach prądu typu indukcyjnego; do ekranowania pola magnetycznego Zastosowanie w fizyce wysokich energii do elektronowego układu chłodzenia wiązki (uklady o dużej jednorodności pola magnetycznego 10-5 )!! Рис. 1А ЭКРАН Рис. 1Б ОБЛАСТЬ ОДНОРОДНОГО ПОЛЯ Рис. 1В Рис. 1Г РАЗВЁРНУТЫЙ ЭКРАН С ТОКАМИ Рис. 1Д Radial magnetic field vs. z- coordinate for different currents in the coils: a- without shield, 1A; b- 4 layer shield, 0.5A; c- 4 layer shield, 1 A; d- 4 layer shield, 1.5A Longitudinal magnetic field vs. z- coordinate for different currents in the coils: a- without shield, 1A; b- 4 layer shield, 0.5A; c- 4 layer shield, 1 A; d- 4 layer shield, 1.5A Br<0 Br>0 Линия Br=0 27

27

28 29 The unclosed HTS shield in the form of the lengthwise winding The unclosed shield screens only magnetic field perpendicular component and transmits the longitudinal component.

29 Wpływ niezamkniętego ekranu nadprzewodnikowego na rozład pola magnetycznego solenoidu Рис.4. Завсисмсоть магнитного поля от продольной координаты при наличии сверхпроводящего экрана и без него. Miara niejednorodnosci pol

30 Rozkład pola magnetycznego solenoidu bez ekranu oraz z niezamknietym ekranem nadprzewodnikowym przy dwóch różnych technologiach wykonania Вид магнитного поя: с верху -без экрана, снизу расчетные поля (лента, сплошной св)

31 Przepusty prądowe HTS Technologia przepustów prądowych a zuzycie helu w urządzeniach do przyspieszania cząstek -Około połowy ciekłego helu przeznaczone tylko do chłodzenia przepustów -- zastąpienie przepustów miedzianych przepustami HTS daje możliwość obniżenia zużycia ciekłego helu (do chłodzenia przepustów prądowych) o kilkaset razy. W Nuklotronie zużywa sie ok 900l/h ciekłego helu; z tego ponad 400 l zuzywa się na chłodzenie przepustów prądowych elektromagnesów oraz przepustów prądowych korektorów korektorów nadprzewodnikowych. Miedziane i nadprzewodnikowe przepusty prądowe Przepust HTS w obwodzie zasilania elektromagnesu sc W sektorze opracowano technologię budowy przepustów prądowych na 100 i 250 A. 32

32 MAGNETOCHROMATOGRAFIA 33

33 Przykad analizy chromatograficznej w polu I bez pola magnetycznego Wydziałowa Konferencja Sprawozdawcza,8,9 luty 2010

34 Wydziałowa Konferencja Sprawozdawcza,8,9 luty 2010

35 Wydziałowa Konferencja Sprawozdawcza,8,9 luty 2010 Źródło pola magnetycznego elektromagnes nadprzewodnikowy 0.56, 1.87, 3.1 T

36 Wydziałowa Konferencja Sprawozdawcza,8,9 luty 2010 WWA B= 1.87 T, faza stacjonarna SiO 2 60, faza ruchoma n-heksan

37 Rezorcynotiadiazole -NP 0, 0.56, 1.87, 3.1 T 0.54 T H H H H N N H H Bez pola W polu wartość indukcji (3,1 T) H H S N H H H Wydziałowa Konferencja Sprawozdawcza,8,9 luty 2010

38 CHEMIA - magnetochromatografia c) d) Porównanie chromatogramów w polu mag. I bez pola

39 MEDYCYNA Scheme of GANTRY with superconducting magnets and cold heads cryocoolers. 1, 2, 3 - dipole magnets; 4 - focusing magnet; 5 - scanning magnet; 6 - sealing of helium tubes; 7 - sealing of vacuum tube; 8 - electric sliding connection; 9 - electric sliding connection of cold head valves; 10 - frame of GANTRY; 11 - support of frame wheels; 12 - screen.

40

41 Elektromagnesywykorzystywane w tomografach chłodzone kąpieli i z pomocą cryocoolerów

42 EKOLOGIA oczyszczanie węgla z siarki; oczyszczanie ziemi z metali ciężkich

43 Separator magnetyczny Wzbogacanie rud (w tym uranowych, metali ziem żadkic0 Wzbogacanie powietrza w tlen F m =S 3 c B db/dx Gdzie S-promień cząstki c-podatność mag czastki B-indukcja pola mag db/dx-gradient indukcji Węgiel z domieszkami S i FeS Temat CZYSTY WEGIEL Realizacja w ramach grantu Przy współpracy: GIG; Iel; FRAKOTERMu