Oamenii de știință creează magneți supereroi avansați și mai puternici pentru sursele de lumină de generația următoare

Acest prototip lung de o jumătate de metru al unui magnet degresant supraconductor de staniu niobiu a fost creat și construit de o echipă de trei laboratoare naționale ale Departamentului Energiei din SUA. Următorul pas va fi să construiți o versiune lungă de un metru și să o instalați pe Advanced Photon Source din Argonne. Foto: Ibrahim Kesgin, Credit: Argonne National Laboratory

Designerii de magne se uită la viitorul surselor de lumină cu prototipuri noi

După mai bine de 15 ani de muncă, oamenii de știință din trei laboratoare naționale DOE au reușit să creeze și să testeze un magnet superconductor avansat, mai puternic, realizat din niobiu și staniu, pentru a fi utilizat în următoarea generație de surse de lumină.

Cu o lumină destul de puternică, puteți vedea lucruri pe care oamenii le-au crezut odată că ar fi imposibile. Dispozitivele de surse de lumină la scară largă generează acea lumină puternică, iar oamenii de știință o folosesc pentru a crea materiale mai durabile, pentru a construi baterii și computere mai eficiente și pentru a afla mai multe despre lumea naturală.

Când vine vorba de construirea acestor facilități masive, spațiul înseamnă bani. Dacă puteți obține cele mai mari fascicule de lumină de pe dispozitive mai mici, puteți economisi milioane la costurile de construcție. Adăugați la aceasta șansa de a îmbunătăți semnificativ capacitățile surselor de lumină existente și aveți motivația din spatele unui proiect care a reunit oameni de știință în trei laboratoare naționale ale Departamentului Energiei din SUA.

Această echipă tocmai a atins un moment important care a fost în lucru de peste 15 ani: au proiectat, construit și testat pe deplin un nou prototip magnet de artă înalt de jumătate de metru care îndeplinește cerințele pentru utilizarea în echipamentele existente și existente. sursă de lumină.

Următorul pas, potrivit lui Efim Gluskin, un colaborator proeminent la DOE Argonne National Laboratory, este de a scala acest prototip, de a construi unul care are mai mult de un metru lungime și de a-l instala în Advanced Photon Source, un Office of Science User al DOE Facilitate în Argonne. Dar, deși acești magneți vor fi compatibili cu surse de lumină precum APS, investiția reală aici, a spus el, este în următoarea generație de obiecte care nu au fost încă construite.

“Scara reală a acestei tehnologii este pentru viitoarele obiecte laser cu electroni liberi”, a spus Gluskin. „Dacă reduceți dimensiunea dispozitivului, reduceți dimensiunea tunelului și, dacă puteți face acest lucru, puteți economisi zeci de milioane de dolari. Asta face o mare diferență. ”

Acest obiectiv pe termen lung i-a adus pe Gluskin și colegii săi la Argonne în colaborare cu oamenii de știință din laboratorul național Lawrence Berkeley și laboratorul național de accelerare Fermi, ambele laboratoare DOE. Fiecare laborator a urmărit tehnologia supraconductoare de zeci de ani și în ultimii ani a concentrat eforturile de cercetare și dezvoltare pe o compoziție care combină niobiul cu staniul.

Acest material rămâne într-o stare supraconductivă – adică nu oferă nici o rezistență la curentul care curge prin el – chiar dacă generează câmpuri magnetice ridicate, ceea ce îl face perfect pentru construirea a ceea ce se numește magneți oscilanți. Surse de lumină precum APS generează raze fotonice (particule de lumină) prin sifonarea energiei date de electroni în timp ce circulă în interiorul unui inel de stocare. Magneții de depreciere sunt dispozitive care transformă acea energie în lumină și, cu cât un câmp magnetic îl puteți genera mai mult cu ei, cu atât puteți crea mai mulți fotoni din dispozitivul de aceeași dimensiune.

Unii magneți cu deplasare supraconductoare au fost acum instalați în APS, dar sunt fabricați dintr-un niobiu-titan aliaj, care de zeci de ani a fost standardul. Potrivit lui Soren Prestemon, om de știință senior la Berkeley Lab, supraconductorii niobiu-titan sunt buni pentru câmpurile magnetice inferioare – încetează să mai fie supraconductori în aproximativ 10 tesla. (Acesta este de aproximativ 8.000 de ori mai puternic decât magnetul tipic al frigiderului.)

“Niobiu-3-staniu este un material mai complicat”, a spus Prestemon, “dar este capabil să transporte curentul către un câmp mai înalt. Supraconducând până la 23 tesla, iar în câmpurile inferioare poate transporta curentul de trei ori mai mult decât curentul. Acești magneți sunt păstrați la rece la 4,2 Kelvin, ceea ce înseamnă aproximativ minus 450 de grade Fahrenheit, pentru a-i menține supraconductori “.

Prestemon a fost în fruntea programului de cercetare niobiu-3-staniu al lui Berkeley, care a început în anii 1980. Noul design, dezvoltat în Argonne, se bazează pe lucrările anterioare ale Prestemon și colegii săi.

„Acesta este primul degresant cu niobiu-3-staniu care a îndeplinit specificațiile actuale de proiectare și a fost testat complet în ceea ce privește calitatea câmpului magnetic pentru transportul fasciculului”, a spus el.

Fermilab a început să lucreze cu acest material în anii 1990, potrivit Sasha Zlobin, care a inițiat și a condus acolo programul magnet niobiu-3-staniu. Programul Fermilab niobiu-3-staniu este axat pe magneți supraconductori pentru acceleratorii de particule, cum ar fi Large Hadron Collider în CERN în Elveția și următorul accelerator liniar PIP-II, care va fi construit la amplasamentul Fermilab.

“Am demonstrat succesul cu magneții noștri de nivel înalt niobiu-3”, a spus Zlobin. „Putem aplica aceste cunoștințe scafandrilor supraconductori pe baza acestui supraconductor.”

O parte a procesului, potrivit echipei, a învățat cum să evite extensiile premature ale magneților pe măsură ce se apropie de nivelul dorit de câmp magnetic. Atunci când magneții își pierd capacitatea de a conduce curentul fără rezistență, reacția rezultată se numește stingere și elimină câmpul magnetic și poate deteriora magnetul în sine.

Echipa va raporta în IEEE Transactions on Applied Conductivity că noul lor dispozitiv găzduiește aproape de două ori cantitatea de curent cu un câmp magnetic mai mare decât ondulatoarele supraconductoare niobiu-titan aflate în prezent în APS.

Proiectul s-a axat pe experiența Argon în construcția și funcționarea ondulatoarelor supraconductoare și pe cunoștințele Berkeley și Fermilab despre niobiu-3-staniu. Fermilab a contribuit la dirijarea procesului, oferind sfaturi privind alegerea firelor supraconductoare și împărtășind cele mai recente evoluții în tehnologia lor. Berkeley a proiectat un sistem de ultimă generație care utilizează tehnici de calcul avansate pentru a detecta amortizarea și a proteja magnetul.

În Argonne, prototipul a fost proiectat, fabricat, asamblat și testat de o echipă de ingineri și tehnicieni sub conducerea managerului de proiect Ibrahim Kesgin, cu contribuții la proiectarea, construcția și testarea de către membrii echipei supraconductoare APS. Condus de Yury Ivanyushenkov .

Echipa de cercetare intenționează să își instaleze prototipul de dimensiuni complete, care ar trebui finalizat anul viitor, în sectorul 1 al APS, care folosește fascicule de fotoni cu energie mai mare pentru a vedea probe mai groase de material. Acesta va fi un test pentru dispozitiv, indicând faptul că acesta poate funcționa conform specificațiilor de proiectare ale unei surse de lumină funcționale. Dar ochiul, spune Gluskin, este pe transferul ambelor tehnologii, titan niobiu și niobiu-3-staniu, către parteneri industriali și producerea acestor dispozitive pentru viitoarele echipamente cu sursă de lumină de mare energie.

„Cheia a fost o activitate constantă și continuă, susținută de laboratoare de cercetare și dezvoltare DOE și fonduri de finanțare”, a spus Gluskin. „A fost un progres din ce în ce mai mare, pas cu pas, să ajungem la acest punct”.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Un model agresiv bazat pe piață pentru dezvoltarea energiei de cuplare

Conceptul ARC Fusion Pilot Plant a fost dezvoltat la MIT ca o demonstrație a potențialului magneților supraconductori de temperatură înaltă de a reduce costurile...

Sug este mai important în cercetare decât potrivirea corectă a măștilor de față COVID

O echipă de cercetători care studiază eficacitatea diferitelor tipuri de măști de față a constatat că este cea mai bună protecție împotriva acesteia COVID-19,...

ADN origami folosit pentru monitorizarea direcționării genelor CRISPR

Imagine cu microscopie electronică a brațelor rotorului ADN origami, „L” portocaliu slab atașat la particulele de culoare mov. Credit: Imagine datorită Julene Madariaga...

Tatuaje inteligente OLED: inginerii creează tatuaje care emit lumină

Echipamente pentru tatuaje OLED. Credit: Barsotti - Institutul italian de tehnologie Oamenii de știință de la UCL și IIT -Istituto Italiano di Tecnologia (Institutul...

Modelele lui Moiré facilitează descoperirea unor faze izolatoare noi neașteptate

Formarea modelului moire de către doi faguri în fagure. Credit: Microwave Nano-Electronics Lab, UC Riverside Un studiu condus de UC Riverside a observat faze...

Newsletter

Subscribe to stay updated.