thumb|Esquema de un imán superconductor de 20 tesla con un orificio vertical.Un imán superconductor es un electroimán fabricado a partir de espiras de alambre de un material superconductor. Durante su funcionamiento deben ser refrigerados para mantenerlos a temperaturas criogénicas.Case Studies in Superconducting Magnets: Design and Operational Issues. Yukikazu Iwasa. Springer (1994)- Science - 421 pag. ISBN 0306448815, ISBN 29780306448812
En su estado superconductor el alambre puede conducir una corriente eléctrica mucho mayor que la que soporta un alambre común, creando campos magnéticos intensos. Los imanes superconductores pueden producir campos magnéticos mayores que los electroimanes convencionales más poderosos y pueden ser más económicos de operar ya que no se disipa energía en forma de calor en sus bobinados. Se los utiliza en la construcción de máquinas de imágenes por resonancia magnética usadas en hospitales, y en equipos científicos tales como espectrómetros de masa y aceleradores de partículas.
Anomalías
Extinción magnética Una extinción es una terminación anormal de la operación del imán que ocurre cuando parte de la bobina superconductora entra en el estado normal (resistivo). Esto puede ocurrir porque el campo magnético dentro del imán es demasiado grande, la tasa de cambio de campo es demasiado grande (lo que provoca corrientes parásitas y el calentamiento resultante en la matriz de soporte de cobre) o una combinación de ambos. Más raramente, un defecto en el imán puede causar un apagado. Cuando esto sucede, ese lugar en particular está sujeto a un rápido calentamiento Joule por la enorme corriente, que eleva la temperatura de las regiones circundantes. Esto también empuja a esas regiones al estado normal, lo que conduce a un mayor calentamiento en una reacción en cadena. Todo el imán se normaliza rápidamente (esto puede llevar varios segundos, dependiendo del tamaño de la bobina superconductora). Esto se acompaña de un fuerte estallido cuando la energía del campo magnético se convierte en calor y el líquido criogénico se evapora rápidamente. La disminución abrupta de la corriente puede provocar picos de voltaje inductivo de kilovoltios y arcos eléctricos. El daño permanente al imán es raro, pero los componentes pueden dañarse por calentamiento localizado, altos voltajes o grandes fuerzas mecánicas. En la práctica, los imanes suelen tener dispositivos de seguridad para detener o limitar la corriente cuando se detecta el comienzo de un enfriamiento. Si un imán grande se enfría, el vapor inerte formado por el fluido criogénico que se evapora puede presentar un peligro de asfixia significativo para los operadores al desplazar el aire respirable.
Una gran parte de los imanes superconductores del Gran Colisionador de Hadrones del CERN se apagaron inesperadamente durante las operaciones de puesta en marcha en 2008, lo que requirió el reemplazo de varios imanes. Para mitigar los apagones potencialmente destructivos, los imanes superconductores que forman el LHC están equipados con calentadores de rampa rápida que se activan una vez que el complejo sistema de protección de enfriamiento detecta un evento de enfriamiento. Como los imanes de flexión dipolo están conectados en serie, cada circuito de potencia incluye 154 imanes individuales, y si ocurre un evento de apagado, toda la energía almacenada combinada de estos imanes debe ser descargada de una vez. Esta energía se transfiere a vertederos que son bloques masivos de metal que se calientan hasta varios cientos de grados Celsius debido al calentamiento resistivo en cuestión de segundos. Aunque no es deseable, la extinción de un imán es un "evento bastante rutinario" durante el funcionamiento de un acelerador de partículas. Refrigeración Durante la operación, los devanados magnéticos deben enfriarse por debajo de su temperatura crítica, la temperatura a la que el material del devanado cambia del estado resistivo normal y se convierte en un superconductor, que se encuentra en el rango criogénico muy por debajo de la temperatura ambiente. Por lo general, los devanados se enfrían a temperaturas significativamente inferiores a su temperatura crítica, porque cuanto más baja es la temperatura, mejor funcionan los devanados superconductores, es decir, mayores son las corrientes y los campos magnéticos que pueden soportar sin volver a su estado no superconductor. Dos tipos de sistemas de enfriamiento se utilizan comúnmente para mantener los devanados magnéticos a temperaturas suficientes para mantener la superconductividad:
Refrigerado por líquido El helio líquido se utiliza como refrigerante para muchos devanados superconductores. Tiene un punto de ebullición de 4,2 K, muy por debajo de la temperatura crítica de la mayoría de los materiales de bobinado. El imán y el refrigerante están contenidos en un recipiente aislado térmicamente (dewar) llamado criostato. Para evitar que el helio se evapore, el criostato generalmente se construye con una camisa exterior que contiene nitrógeno líquido (significativamente más barato) a 77 K. Alternativamente, se coloca un escudo térmico hecho de material conductor y mantenido en un rango de temperatura de 40 K a 60 K, enfriado por conexiones conductoras al cabezal frío del crioenfriador, alrededor del recipiente lleno de helio para mantener la entrada de calor a este último a un nivel aceptable. Uno de los objetivos de la búsqueda de superconductores de alta temperatura es construir imanes que puedan enfriarse solo con nitrógeno líquido. A temperaturas superiores a unos 20 K, se puede lograr el enfriamiento sin hervir los líquidos criogénicos. [cita requerida]
Refrigeración mecánica Debido al aumento de los costos y a la disminución de la disponibilidad de helio líquido, muchos sistemas superconductores se enfrían mediante refrigeración mecánica de dos etapas. En general, se emplean dos tipos de refrigeradores criogénicos mecánicos que tienen suficiente potencia de enfriamiento para mantener los imanes por debajo de su temperatura crítica. El refrigerador criogénico Gifford-McMahon ha estado disponible comercialmente desde la década de 1960 y ha encontrado una aplicación generalizada. El ciclo del regenerador G-M en un refrigerador criogénico funciona utilizando un desplazador de pistón y un intercambiador de calor. Por otra parte, 1999 marcó la primera aplicación comercial en la que se utilizó un refrigerador criogénico de tubo de pulso. Este diseño de refrigerador criogénico se ha vuelto cada vez más común debido a la baja vibración y el largo intervalo de servicio, ya que los diseños de tubos de pulso utilizan un proceso acústico en lugar de desplazamiento mecánico. En un refrigerador típico de dos etapas, la primera etapa ofrecerá una mayor capacidad de enfriamiento pero a una temperatura más alta (≈77 K) y la segunda etapa alcanzará ≈4.2 K y < 2.0 W de potencia de enfriamiento. En uso, la primera etapa se utiliza principalmente para el enfriamiento auxiliar del criostato y la segunda etapa se utiliza principalmente para enfriar el imán.
Materiales de bobinado de bobinas El campo magnético máximo alcanzable en un imán superconductor está limitado por el campo en el que el material del devanado deja de ser superconductor, su "campo crítico", Hc, que para los superconductores de tipo II es su campo crítico superior. Otro factor limitante es la "corriente crítica", Ic, a la que el material del devanado también deja de ser superconductor. Los avances en imanes se han centrado en la creación de mejores materiales de bobinado.
Las porciones superconductoras de la mayoría de los imanes actuales están compuestas de niobio-titanio. Este material tiene una temperatura crítica de 10 K y puede superconducir hasta unas 15 T. Los imanes más caros pueden estar hechos de niobio-estaño (Nb3Sn). Estos tienen una Tc de 18 K. Cuando funcionan a 4,2 K, son capaces de soportar una intensidad de campo magnético mucho mayor, de hasta 25 T a 30 T. Desafortunadamente, es mucho más difícil fabricar los filamentos necesarios a partir de este material. Esta es la razón por la que a veces se utiliza una combinación de Nb3Sn para las secciones de campo alto y NbTi para las secciones de campo inferior. El vanadio-galio es otro material utilizado para los insertos de alto campo.
Los superconductores de alta temperatura (por ejemplo, BSCCO o YBCO) se pueden utilizar para insertos de alto campo cuando los campos magnéticos requeridos son más altos de lo que Nb3Sn puede manejar. [cita requerida] El BSCCO, el YBCO o el diboruro de magnesio también se pueden utilizar para los cables de corriente, conduciendo altas corrientes desde la temperatura ambiente hacia el imán frío sin una gran fuga de calor de los cables resistivos. [cita requerida]
Estructura del director Los devanados de la bobina de un imán superconductor están hechos de alambres o cintas de superconductores de tipo II (por ejemplo, niobio-titanio o niobio-estaño). El alambre o la cinta en sí puede estar hecho de pequeños filamentos (de unos 20 micrómetros de grosor) de superconductor en una matriz de cobre. El cobre es necesario para agregar estabilidad mecánica y para proporcionar un camino de baja resistencia para las grandes corrientes en caso de que la temperatura aumente por encima de Tc o la corriente se eleve por encima de Ic y se pierda la superconductividad. Estos filamentos deben ser así de pequeños porque en este tipo de superconductor la corriente solo fluye en una capa superficial cuyo espesor está limitado a la profundidad de penetración de Londres (ver Efecto piel). La bobina debe diseñarse cuidadosamente para soportar (o contrarrestar) la presión magnética y las fuerzas de Lorentz que, de otro modo, podrían causar la fractura del cable o el aplastamiento del aislamiento entre vueltas adyacentes.
Operación
Imán superconductor de orificio horizontal de 7 T, parte de un espectrómetro de masas. El imán en sí está dentro del criostato cilíndrico. Fuente de alimentación La corriente a los devanados de la bobina es proporcionada por una fuente de alimentación de CC de alta corriente y muy bajo voltaje, ya que en estado estacionario el único voltaje a través del imán se debe a la resistencia de los cables de alimentación. Cualquier cambio en la corriente a través del imán debe hacerse muy lentamente, primero porque eléctricamente el imán es un inductor grande y un cambio abrupto de corriente dará como resultado un gran pico de voltaje a través de los devanados y, lo que es más importante, porque los cambios rápidos en la corriente pueden causar corrientes de Foucault y tensiones mecánicas en los devanados que pueden precipitar un enfriamiento (ver más abajo). Por lo tanto, la fuente de alimentación suele estar controlada por un microprocesador, programada para realizar cambios de corriente gradualmente, en rampas suaves. Por lo general, se necesitan varios minutos para energizar o desenergizar un imán del tamaño de un laboratorio.
Modo persistente