제로 저항 초전도 자석: 초전도 기술

초전도 자석은 초전도 물질을 사용하여 극저온에서 제로 저항을 달성하는 전자석입니다. 초전도 자석은 매우 높은 전류 밀도를 전달하고 기존 전자석을 훨씬 능가하는 강력한 자기장을 생성할 수 있습니다.

초전도 자석의 특성

높은 전류 밀도와 강한 자기장: 초전도 재료는 임계 온도 이하에서 제로 저항을 달성하고 매우 높은 전류 밀도를 전달할 수 있으며 강한 자기장을 생성하고 에너지를 거의 제로에 가깝게 소비합니다. 기존의 강자성 재료 성형 기술에 비해 초전도 자석은 더 가파른 자기장 기울기를 생성하여 높은 자기장 강도 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

1. 비용 효율성

소형 초전도 자석은 일반 자석보다 전계 강도 및 안정성이 우수하고 가격도 저렴합니다. 대형 초전도 자석은 오래 작동할수록 에너지 소비가 많은 기존 전자석보다 경제성이 높아집니다. 그러나 안정성 요구 사항이 낮고 1T 이하의 애플리케이션의 경우 수냉식 구리 코일이 여전히 더 경제적입니다.

2. 장기적인 안정성

장기 작동 모드에서 초전도 자석의 L/R 시간 상수는 매우 길고 자기장은 며칠 또는 몇 달 동안 매우 안정적으로 유지될 수 있어 장기 신호 평균화가 필요한 실험에 특히 적합합니다.

3. 컴팩트한 디자인

전류 밀도가 높기 때문에 초전도 자석은 크기가 작고 실험실 공간을 덜 차지하며 공간이 제약된 환경에 적합합니다.

냉각 기술

초전도 자석을 임계 온도 이하로 냉각해야 초전도 상태를 유지할 수 있습니다. 두 가지 일반적인 냉각 방법이 있습니다:

액체 냉각 기술

액체 헬륨이 주 냉각제이며, 초전도 코일은 임계점 이하로 온도를 유지하기 위해 크라이오스탯에 배치됩니다. 액체 헬륨의 증발을 줄이기 위해 일반적으로 크라이오스탯의 외부 층에 액체 질소를 사용하여 보조 냉각을 수행하므로 운영 비용이 크게 절감됩니다.

기계식 냉각 기술

기포드-맥마혼 또는 펄스 튜브 냉장고가 사용됩니다. 첫 번째 단계(77K)는 저온 스탯을 보조 냉각하고 두 번째 단계(4.2K, 냉각 전력 <2W)는 초전도 코일을 직접 냉각합니다. 펄스 튜브 냉장고는 음향 공정을 사용하고 진동이 적고 유지보수 주기가 길며, 특히 장기 초전도 시스템에 적합하여 점차 주류가 되고 있습니다.

초전도 재료 및 성능

초전도 자석의 성능은 재료의 임계 온도(Tc), 임계 자기장(Hc), 임계 전류(Ic)에 의해 제한됩니다. 일반적으로 사용되는 재료는 다음과 같습니다:

니오븀티타늄(NbTi): 임계 온도 10K, 4.2K에서 9-10T 자기장을 지원하며 2K에서 9.5-10T에 도달할 수 있어 핵 자기 공명의 낮은 자기장 영역 및 장기 안정성 요구 사항에 적합합니다.

니오븀 주석(Nb3Sn): 임계 온도 18K, 2.2K에서 23T 지원(4.2K에서 더 높음), 높은 필드 영역에 적합.

고온 초전도체(HTS): 은 4.2K에서 최대 45T 자기장을 지원하여 초고자기장 인서트 및 전류 리드에 적합하며 열 누출을 줄입니다.

초전도 자석의 획기적인 발전: 32T 풀 초전도 자석

1819년 오어스테드는 전류가 자기장을 발생시킨다는 사실을 발견하여 전자석의 기초를 마련했습니다. 20세기에 초전도가 발견되면서 자석의 강도가 비약적으로 발전하여 상용 초전도 자석은 일반 자석보다 2,000배 이상 강한 23T에 이르렀습니다.

2017년에 플로리다 국립 고자기장 연구소는 32T 완전 초전도 자석을 개발하여 2019년에 사용했습니다. 이 자석은 저온 초전도성과 고온 초전도성을 결합하여 자기장 강도를 크게 높였습니다. 32T의 자기장은 300톤 이상의 응력을 발생시킵니다. 코일에 에폭시 수지를 함침시키고 진공 챔버에 넣어 로렌츠 힘에 대한 구조를 강화합니다.

초전도 자석의 응용 분야

핵 자기 공명 및 분광학: 고장 초전도 자석은 높은 해상도와 안정성을 제공하여 생물의학, 화학 및 물리 연구를 주도합니다.

양자 진동과 재료 과학: 복잡한 금속과 분자 고체의 양자 거동을 밝혀냅니다.

나노기술: 32T 자석은 1~100nm 규모의 원자/분자 구조를 조작하여 재료 강도, 촉매 성능 및 전도도를 최적화하는 데 도움이 됩니다.

입자가속기: 고에너지 물리학 실험을 지원합니다.

핵융합로:는 강력한 자기장을 제공하고 플라즈마를 제어하며 ITER와 같은 프로젝트에서 청정 에너지 개발을 촉진합니다.

자기 부상 철도: 효율적인 운송을 위해 일본의 자기 부상 시스템의 정지, 유도 및 추진에 사용됩니다.

결론

초전도 자석은 뛰어난 성능과 광범위한 응용 가능성으로 과학 기술의 경계를 재편하고 있습니다. 재료 과학 및 엔지니어링 기술의 발전으로 차세대 초전도 자석은 더욱 효율적이고 경제적인 솔루션을 제공하여 인류의 미지의 세계 탐험에 새로운 동력을 불어넣고 글로벌 과제를 해결해 나갈 것입니다.

Ethan Huang

저는 자석에 관한 대중 과학 글을 쓰고 있습니다. 제 기사는 주로 자석의 원리, 응용 분야, 업계 일화에 초점을 맞추고 있습니다. 제 목표는 독자들에게 유용한 정보를 제공하여 모든 사람이 자석의 매력과 중요성을 더 잘 이해할 수 있도록 돕는 것입니다. 동시에 자석과 관련된 여러분의 의견을 듣고 싶습니다. 자석의 무한한 가능성을 함께 탐구하는 동안 자유롭게 팔로우하고 참여해 주세요!