Magneetit

Huomioonotettavia seikkoja magneetin suunnittelussa

• Magneettikentän voimakkuus ja suunta
• Hyödyllisen magneettikentän tilavuus
• Magneettikentän tasaisuus
• Magneettikentän muutos ajassa
• Magneettikentän saavutettavuus

Suprajohteiden etu tavallisesta johtimista tehtyihin magneetteihin nähden on suuremmat, stabiilimmat, homogeenisemmät kentät ja hiljaisempi toiminta pienemmällä tehonkulutuksella. Laboratorioissa, joissa on valmius nestemäisen heliumin käsittelyyn, päästään helposti 20 T:n kenttiin erilaisilla suprajohtavilla magneeteilla.

Suprajohtavien magneettien valmistus on ollut teollista toimintaa jo 1960-luvulta alkaen. 1970 - 1995 välisenä aikana suurin mahdollinen kenttä on noussut 10 T:sta 20 T:aan, ja käyttämällä yhdistelmämagneetteja, joissa on resistiiviset 10-20 MW kelat sisällä voidaan päästä 35 T:n kenttiin. Pääasiassa nykyään käytetään Nb-Ti ja Nb₃Sn matalan lämpötilan suprajohteita.

Ensimmäinen suuren luokan sovellus suprajohdemagneeteille oli NMR, jota käytetään paljon biokemiallisessa ja farmaseuttisessa tutkimuksessa. Toinen ehkä vielä tunnetumpi sovellus on magneettikuvaus (MRI), jossa käytetään 1.5-2 T:n kenttiä, tosin nykyään joskus suurempiakin. Teollisuudessa suprajohdemagneetteja ei vielä käytetä kovin paljoa. Yksi esimerkki on kuitenkin kaoliinin tuotanto, jossa korkea-gradientti magneetteja käytetään puhdistamaan ja valkaisemaan alkuperäistä mineraalia (kaoliinia käytetään paperiteollisuudessa paperin lisäaineena). Hiukkaskiihdyttimet, kuten LHC CERNissä, eivät olisi mahdollisia ilman suprajohdemagneetteja.

Yksinkertaisin magneettimalli on solenoidi (kuva), tällöin kentän suuruutta rajoittaa käytetyn Nb-Ti:n ominaisuudet. Yleensä kela käämitään käyttämällä sisemmissä kierroksissa paksumpaa lankaa ja ohentamalla sitä ulospäin tullessa. Maksimikenttä, joka yksinkertaisella solenoidilla saavutetaan on noin 9-10 T. Jos halutaa tätä korkeampia kenttiä pitää käyttää duplex solenoidia, jossa sisempi kela on tehty Nb$_3$Sn:stä. Nb$_3$Sn on kertaluokkaa kalliimpaa kuin NbTi, joten sen käyttö yleensä minimoidaan. Duplexsolenoidin rakenne on huomattavasti monimutkaisempi kuin yksinkertaisen, mutta sen käyttö mahdollistaa kentät aina 21 T:aan asti. Jos halutaan laaja tasainen kentän alue, pitää käyttää kompensaatiokeloja. Lyhyellä matkalla kenttä muuttuu aksiaalisen etäisyyden, $Z$, funktiona, ja se voidaan kirjoittaa $Z$:n potenssisarjana, $Z0$, $Z2$, $Z4$ jne. Yksinkertaisella kelalla $Z2$ on negatiivinen ja se voidaan kompensoida toisilla keloilla jotka tuottavat saman mutta vastakkaissuuntaisen kentän. Sovelluksilla, joissa tarvitaan erityisen tasaista kenttää (kuten NMR) kentät on kompensoitu kahdeksanteen kertaluokkaan asti. Jos magneetin lähellä tarvitaan paikkaa, jossa on hyvin pieni kenttä, käytetään kumouskeloja tai suprajohtavaa suojausta. Sovelluksissa, joissa tarvitaan tasaista kenttää jatkuvasti, käytetään ns. persistentti-moodia, jossa virta kiertää kokonaan suprajohtavassa magneetissa häviöttä useita vuosia.

Suprajohtavat magneetit tehdään kaikki matalan lämpötilan suprajohteista, koska BSCCO-nauhan magneettikentän sieto ei ole kovinkaan hyvä. Mikäli YBCO:sta saadaan joskus tehtyä kunnon nauhoja, saadaan tn. myös korkean lämpötilan suprajohdemagneetteja. Korkean lämpötilan suprajohteita käytetään sen sijaan johtimina suprajohdemagneetteihin.