Магнит размером с ладонь генерирует магнитное поле в 42,3 тесла
Обычно для создания магнитных полей выше 40 тесла используются сложные лабораторные системы размером с комнату, потребляющие мегаватты энергии. Новая разработка ученых кардинально меняет ситуацию — компактный магнит работает на мощности менее 1 Вт и при этом обеспечивает поле, сопоставимое с крупнейшими экспериментальными установками.
Команда создала два варианта устройства на основе высокотемпературных сверхпроводников из ленты редкоземельного барий-медно-оксидного сплава (REBCO). Один магнит, состоящий из двух катушек, достиг поля 38 тесла, а второй, из четырех катушек, показал рекордное значение 42,3 тесла.
Для сравнения, стандартные медицинские томографы МРТ работают при поле всего 1,5–3 тесла.
Предыдущий рекорд для магнитов из высокотемпературных сверхпроводников составлял около 26 тесла, а один из самых мощных стационарных магнитов в мире — установка на 45,5 тесла в Национальной лаборатории высоких магнитных полей США. Объект требует более 20 МВт энергии и сложной инфраструктуры. Магнит ETH Zürich потребляет в тысячи раз меньше энергии, а объем его катушки более чем в 1000 раз меньше.
Главной инженерной задачей стала намотка сверхпроводящей ленты на чрезвычайно маленькое отверстие диаметром всего 3,1 миллиметра. Обычно такие материалы нельзя изгибать на радиус меньше 14 миллиметров, иначе сверхпроводящий слой трескается. Ученые разработали новую методику намотки, которая переносит точку соединения катушек за пределы отверстия и сохраняет целостность материала.
Дополнительно в магнитах используется технология намотки без изоляции в сочетании с пайкой по всей длине катушки. Такой подход повышает механическую прочность конструкции и позволяет пропускать через нее более высокий ток. В результате исследователям удалось достичь плотности тока до 2257 ампер на квадратный миллиметр, что значительно превышает показатели большинства крупных сверхпроводящих систем.
Компактный магнит уже удалось использовать в экспериментах по ядерному магнитному резонансу (ЯМР) внутри канала диаметром 3,1 мм. Более сильные магнитные поля повышают чувствительность этого метода, применяемого для изучения молекулярной структуры веществ.
Для экспериментов при полях выше 28 тесла ученым обычно приходится обращаться к крупным национальным лабораториям. Миниатюрные магниты могут сделать такие исследования гораздо доступнее для университетов и медицинских центров. В дальнейшем команда планирует улучшить однородность магнитного поля и провести эксперименты ЯМР при полях свыше 40 тесла. Заявка на патент на новую технологию уже подана.