National MagLab用小而紧凑的线圈创造了世界纪录的磁场

一种新型磁铁，一半大小的纸板卫生纸卷，从位于总部位于佛罗里达州立大学的国家高磁场实验室举办了二十年的金属泰坦篡夺了“世界上最强磁场”的称号。

它的制造商说我们还没有看到任何东西：通过将一个特别高磁场的磁铁装入一个可装入钱包的线圈中，MagLab科学家和工程师已经展示了一种构建和使用更强，更小和更多电磁铁的方法比以往任何时候都多。

今天发表在“ 自然 ”杂志上的一篇文章概述了他们的工作。

“我们真正打开了一扇新门，”MagLab工程师Seungyong Hahn说道，他是新磁铁的幕后策划人，也是FAMU-FSU工程学院的副教授。“由于其紧凑的特性，该技术具有完全改变高场应用视野的巨大潜力。”

国家MagLab主任Greg Boebinger表示，这款新磁铁是MagLab传统巨型机器人的勇敢大卫。

“这确实是一个小型化的里程碑，它可能会为磁铁制造电子产品所做的事情，”他说。“这种创新技术可能会导致小型磁铁在颗粒探测器，核聚变反应堆和医学诊断工具等地方发挥重要作用。”

佛罗里达州立大学研究副总裁Gary Ostrander表示，这一新纪录是对教师的聪明才智和实验室研究的跨学科性质的致敬。

“我们的研究人员在这里设计了一项非凡的成就，”他说。“这项技术真正展示了我们的教师与实验室资源相结合的优势如何能带来一些特别的东西。”

新材料，新颖的设计

哈恩和他的团队创造的微型磁铁创造了世界纪录的45.5特斯拉磁场。一个典型的医院MRI磁铁约为2或3个特斯拉，世界上最强的连续磁场磁铁是MagLab自己的45特斯拉混合仪器，这是一个35吨的庞然大物，自1999年以来一直保持这一纪录。

所谓的45-T仍然是世界上最强大的工作磁铁，可以对材料进行尖端的物理研究。但是在测试中，由哈恩发明的半品脱大小的磁铁，以390克(0.86磅)的尺度倾斜，短暂地超过了卫冕冠军的半个特斯拉，这是一个引人注目的概念证据。

如此小的东西怎么能创造一个大的领域呢?通过使用有前途的新导体和新颖的磁铁设计。

45-T磁铁和45.5-T测试磁铁都是由超导体构成的，超导体是一类具有特殊性能的导体，包括以完美的效率传输电能的能力。

45-T中使用的超导体是铌基合金，已经存在了几十年。但是在45.5-T原理验证磁体中，Hahn的团队使用了一种名为REBCO(稀土钡铜氧化物)的新化合物，它具有许多优于传统超导体的优点。

值得注意的是，REBCO的电流可以是相同尺寸的铌基超导体的两倍多。这种电流密度至关重要：毕竟，通过电磁铁运行的电流会产生电场，因此您可以越多地填充电场，电场越强。

同样重要的是由SuperPower公司生产的特定REBCO产品 - 纸薄，带状线。

MagLab首席材料科学家David Larbalestier也是FAMU-FSU工程学院的教授，他看到该产品承诺将更多的能量用于潜在的世界纪录磁铁，并鼓励哈恩试一试。

另一个关键因素不是他们放入的东西，而是他们遗漏的东西：绝缘。

今天的电磁铁在导电层之间包含绝缘层，导电层沿着最有效的路径引导电流。但它也增加了重量和体积。

哈恩的创新：没有绝缘的超导磁体。除了产生更光滑的仪器外，这种设计还可以保护磁铁免受称为淬火的故障。当导体中的损坏或缺陷阻挡电流离开其指定路径时，可能发生淬火，导致材料升温并失去其超导特性。但如果没有绝缘，那么电流就会沿着不同的路径行进，避免淬火。

“线圈的匝数没有彼此绝缘的事实意味着它们可以非常容易和有效地共享电流，以绕过任何这些障碍，”自然论文的相应作者Larbalestier解释道。

Hahn设计的另一个减肥方面涉及淬火：超导线材和胶带必须包含一些铜，以帮助散发潜在热点的热量。他的“无绝缘”线圈，其磁带厚度仅为0.043毫米，比传统磁铁需要的铜少得多。

在经验丰富的MagLab工程师Iain Dixon的指导下，该团队快速连续制造了三个日益强大的原型，被称为Little Big Coil(LBC)系列。在此过程中，他们精炼，解决了问题并使用了更好的超导体。

寻找答案使团队走向了技术的最前沿 - 非常简单。

由于生产限制，REBCO胶带的制造宽度为-12 mm，约为半英寸。然而，为了满足LBC的要求，这些胶带必须纵向切割成4毫米宽。

即使在最小心的情况下，这也很难做到，因为REBCO非常脆弱。结果，已经切开的带的侧面在高磁场的机械应力下易于破裂。

“在这些实验中发现了这一点，”Larbalestier说道。“我们找到了一种方法来控制这种损坏，即坚持要求我们购买具有一个非切口边缘的材料，并且我们将非切口边缘定位在远离磁体中心的位置。在这种情况下，到目前为止，我们没有看到损害。“

下一步?更多的研究和故障排除。哈恩的LBC设计目前正在考虑用于潜在破纪录的未来超导磁体，该磁体现在由美国国家科学基金会资助研发。

“REBCO的根本问题在于它是一种不能完美制造的单丝导体，”Larbalestier说。“因此，任何长度的导体都含有各种缺陷，这些缺陷对未来任何磁铁的影响尚不清楚。但我们仍然喜欢这些挑战。”

即使面临这些挑战，科学家仍然对已经取得的进展感到兴奋。

“当NSF几十年前首次推出国家高磁场实验室时，它彻底改变了强力磁铁的研究用途，”NSF材料研究部主任Linda Sapochak说。“在宣布他们新的破纪录的磁铁时，MagLab已经表明它将继续推动这一领域的前沿，以及随之而来的突破。”

负责监督MagLab资金的NSF项目经理Leonard Spinu回应了Sapochak的评论。

“这一突破将加速MagLab的NSF支持的努力，以开发节能，高磁场的磁铁，当实现可以使国家获得这种技术的民主化，”他说。