Superconduttività
&
Magneti
Volpini
Giovanni Volpini,Giovanni
MASS08,
17 ottobre 2008 1
MASS ’08 LASA, 17 ottobre
Outline
I
La superconduttività
II
Magneti per Acceleratori & Rivelatori di
particelle
III
Applicazioni per la società
Giovanni Volpini
MASS ’08 LASA, 17 ottobre
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I
La superconduttività
Giovanni Volpini
MASS ’08 LASA, 17 ottobre
3
Heike Kamerlingh Onnes, (1853-1926)
Fisico olandese,
fondatore del
laboratorio
criogenico
dell’università di
Leida. Per mezzo
dell’effetto
Joule-Thomson, nel
1908 riuscì per la
prima volta a
liquefare l’elio (4.2
K). Successivamente
raggiunse
temperature di 0.9 K.
Lo studio delle
proprietà elettriche
dei materiali a queste
temperature lo portò
alla scoperta della
superconduttività fra
il 1911 e il 1913.
Insignito del premio
Nobel nel 1913 per...
“...le sue ricerche sulle proprietà delle sostanze alle basse temperature, che hanno
portato, fra l’altro, alla liquefazione dell’elio.”
Giovanni Volpini
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la scoperta della superconduttività
Resistenza Campione [Ω]
All’inizio del novecento si sapeva che la resistenza elettrica di
un materiale diminuisce –in generale- all’abbassarsi della
temperatura. Le prime osservazioni di una apparente
scomparsa della resistenza elettrica non furono perciò
sorprendenti. In seguito però...
... emersero caratteristiche
peculiari del fenomeno:
-avviene, per campioni puri, in
un intervallo di temperatura
molto ristretto
-l’aggiunta di impurità NON
cancella il fenomeno.
Nel 1913, K.O. comprende di
avere scoperto un nuovo
fenomeno, che chiama
superconduttività.
Giovanni
Temperatura
[K]Volpini
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I primi magneti superconduttori
(tentati)
K.O. pensò fin dall’inizio a sfruttare i superconduttori per il
raggiungimento di elevati campi magnetici.
In realtà i primi avvolgimenti resero evidente l’esistenza di
un campo magnetico critico al di sopra del quale la
superconduttività scompare, con valori < 0.1 T.
1 tesla (T) = 10.000 gauss (G) il campo magnetico terrestre è di circa 0.3G
Bobina di filo di stagno, 252
avvolgimenti, per esperimenti di
superconduttività
dimensioni: h: 1,5 cm diam.: 3 cm
circa 1910
Bobina di filo di piombo (1000 spire)
dimensioni: l 8,5 cm h: 2 cm d: 3,5 cm
1913
Immagini tratte da: www.museumboerhaave.nl/collectie/e_hoogtepunten.html Inv V09968
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I magneti tradizionali e i loro limiti
Elettromagnete in
aria, genera 10 T
in un diametro
utile di 10 cm.
(Berkeley 1959)
Richiede una
potenza elettrica
di 7.5 MW
Elettromagnete con giogo in
ferro (Leida 1930, 2.5 m x
2.5 m x 2.0 m, peso 14
1 tesla (T) = 10.000 gauss (G)
tonnellate)
il campo magnetico terrestre è
il campo massimo è
di circa 0.3 G
comunque limitato a ~2 T
Giovanni Volpini
per la saturazione del
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ferro
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Il primo magnete superconduttore
(riuscito)
Il percorso verso la realizzazione di magneti superconduttori riprese solo
dopo quaranta anni, in seguito alla scoperta della superconduttività in
materiali composti (ad esempio leghe metalliche).
In tali materiali la superconduttività (Tipo II) ha caratteristiche
singnificativamente diverse da quella dei materiali puri (Tipo I):
• l’equazione
superconduttività = assenza di resistenza
non è più strettamente vera
PRL 1
04 15
nov ‘
56
• i campi magnetici critici raggiungono valori di T o di decine di T.
Yntema 1954
0.71 T @ 4.2 K ,
Corrente = 1.82 A
900 A/mm²
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YBCO: Tape, || Tape-plane, SuperPower
(Used in NHMFL tested Insert Coil 2007)
1,000,000
At 4.2 K Unless
Otherwise Stated
Critical Current Density (non-Cu), A/mm²
YBCO B||c
YBCO: Tape, |_ Tape Plane, SuperPower
(Used in NHMFL tested Insert Coil 2007)
Bi-2212: non-Ag Jc, 427 fil. round wire,
Ag/SC=3 (Hasegawa ASC-2000/MT17-2001)
YBCO B||ab
100,000
Nb-Ti: Max @1.9 K for whole LHC NbTi
strand production (CERN, Boutboul '07)
Nb-Ti: Nb-47wt%Ti, 1.8 K, Lee, Naus and
Larbalestier UW-ASC'96
1.9 K LHC
Nb-Ti
10,000
Nb3Sn: Non-Cu Jc Internal Sn OI-ST RRP
1.3 mm, ASC'02/ICMC'03
Nb3Sn: Bronze route int. stab. -VAC-HP,
non-(Cu+Ta) Jc, Thoener et al., Erice '96.
Nb3Sn: 1.8 K Non-Cu Jc Internal Sn OI-ST
RRP 1.3 mm, ASC'02/ICMC'03
2212
Nb3Al: RQHT+2 At.% Cu, 0.4m/s (Iijima et al
2002)
round wire
1,000
Nb3 Al:
RQHT
2223
tape B|_
2223
Bi 2223: Rolled 85 Fil. Tape (AmSC) B||,
UW'6/96
tape B||
Bi 2223: Rolled 85 Fil. Tape (AmSC) B|_,
UW'6/96
100
MgB 2
film MgB 2
tape
5
10
MgB2: Tape - Columbus (Grasso) MEM'06
1.8 K
Nb 3 Sn
Nb3 Sn
ITER
Internal Sn
10
0
MgB2: 4.2 K "high oxygen" film 2, Eom et
al. (UW) Nature 31 May '02
Nb3 Sn
15
20
25
30
35
Applied Field, T
Fonte: http://magnet.fsu.edu/~lee/plot/plot.htm
Giovanni Volpini
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9
Evoluzione della temperatura critica
Giovanni Volpini
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IIa
Magneti per
Acceleratori di Particelle...
Giovanni Volpini
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LHC
Il Large Hadron Collider (LHC) rappresenta lo strumento più
potente mai costruito per l’indagine delle particelle elementari.
• L’energia più alta fra tutti
gli acceleratori di
particelle
• I fasci di particelle più
intensi
• Funziona a una
temperatura più fredda
dello spazio cosmico
profondo
• Le collisioni vengono
studiate da quattro
rivelatori ospitati in
enormi caverne
sotterranee
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Curvatura, Focalizzazione e Luminosità
Le componenti
principali di un
acceleratore
• Dipoli per la curvatura
• Quadrupoli per la
focalizzazione
• Sestupoli, Ottupoli per
l’ottica dei fasci
• Magneti di Correzione
dal dipolo al decapolo
P [TeV/c] = 0.3 B [T] R [km]
7 Tev/c = 0.3 x 8.33 T x 2.8 km
Giovanni Volpini
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Perché la superconduttività in LHC
LHC ha una circonferenza di 26.7 km, dei quali circa
20 km sono occupati dai dipoli superconduttori
principali, funzionanti a 8.3 T. La criogenia
consuma circa 40 MW di potenza elettrica.
Un ipotetico LHC normal-conduttivo:
utilizzerebbe magneti resistivi funzionanti a 1.8 T
(limite posto dalla saturazione del ferro),
la circonferenza dovrebbe essere circa 100 km, e
il consumo elettrico raggiungerebbe 900 MW (una
centrale nucleare...), portando a costi proibitivi
per le infrastrutture e la gestione.
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Magneti Dipolari per Acceleratori
Tevatron
Fermilab, USA
1987, B 4.4 T
HERA
DESY, D
1990, B 4.65 T
SSC
USA
6.61 T
RHIC
BNL, USA
2000 4.5 T
LHC
CERN, Europe
2008, 8.3 T
15
Giovanni Volpini
da: S. Prestemon, Superconductivity for
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Accelerators
Sezione del Dipolo
Giovanni Volpini
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Sezione delle bobine all’interno
del supporto meccanico
Giovanni Volpini
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17
I primi prototipi lunghi dei
dipoli superconduttori di LHC
Tramite il LASA, l’INFN ha collaborato con il CERN per LHC sin dal
1990. In particolare l’INFN ha costruito in Industrie Italiane i
primi due prototipi di dipolo da 10 metri.
Le loro ottime prestazioni, ben oltre il campo nominale, sono state
la base dell’approvazione del progetto nel 1994. Successivamente
l’INFN ha costruito il primo dipolo da 15 metri che è stato
energizzato con successo nel giugno 1998.
Nell’ambito della collaborazione l’INFN è stata responsabile del
Giovanni
Volpini
superconduttore e delle
attrezzature
e procedure costruttive 18
MASS
LASA, 17totale
ottobredi circa 7.5 M€.
nell’Industria, per
un ’08
impegno
La costruzione di LHC
LHC comprende 1232 dipoli, 386
quadrupoli e un numero elevato di
altri magneti più piccoli, ordini
gestiti direttamente dal CERN
Il CERN ha centralizzato tutti gli
acquisti dei componenti principali
e critici del progetto, ad es. il
cavo superconduttore, gli
isolamenti, alcuni materiali base
(la lega superconduttiva base,
l’acciaio dei collari, il ferro dei
giogi) e alcune lavorazioni
particolari.
Numerosi gare sono state vinte da
ditte italiane, qualificate anche
attraverso le attività di supporto
allo sviluppo dei dipoli.
Magneti+criogenia = 66%
Giovanni Volpini
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IIb
...e Magneti per
Rivelatori di Particelle
Giovanni Volpini
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A Toroidal Lhc ApparatuS
Giovanni Volpini
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Il magnete superconduttore
toroidale del rivelatore ATLAS
L’INFN ha assunto la responsabilità della
costruzione delle bobine del Barrel Toroid,
finanziate in parte con i fondi del
“programma 5%”, e in parte con i fondi
dell’Ente.
In particolare l’Industria Italiana ha prodotto
metà (40 km) di tutto il cavo
superconduttore,
tutte le 16 “doppie gallette”
superconduttive,
lo schermo termico di tutte le 8 bobine.
per un totale di 10 M€.
L’INFN ha anche dedicato un impegno
paragonabile è stato dedicato al Solenoide
Superconduttore di CMS, l’altro grande
rivelatore all-purpose di Giovanni
LHC. Volpini
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sezione di una bobina del Barrel Toroid
in colore le componenti sotto responsabilità del LASA
Camera a vuot0
Coil
Casing
Voussoir
Cavo Superconduttore
Double
Pancake
Schermi Termici
Giovanni Volpini
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Il cavo superconduttore del BT
Giovanni Volpini
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Costruzione delle doppie gallette
avvolgimento
la doppia galletta viene
rimossa dal mandrino di
avvolgimento
impregnazione
in resina
sottovuoto
la doppia galletta
Giovanni Volpini completata
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25
alcune fasi della integrazione @ CERN
il coil casing mentre viene calato
su una doppia galletta
attrezzo di ribaltamento per
l’incassamento delle bobine
vengono montati i coperchi che
chiudono la doppia galletta
le doppie gallette impilate in
attesa dell’integrazione 1
un coil casing completo di due
bobine, pronto per la
“bladderizzazione”
Giovanni Volpini
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26
schermi termici
due schermi termici durante i collaudi
27
Giovanni Volpini
finali (dx) e il montaggio
dei
tronconi
(sx)
MASS ’08 LASA, 17 ottobre
alcune fasi dell’integrazione
Giovanni Volpini
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Montaggio in caverna
Giovanni Volpini
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III
Applicazioni per la società
Giovanni Volpini
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MRI
L’MRI, (nuclear) Magnetic Resonance Imaging, rappresenta probabilmente la
più importante applicazione della superconduttività al di fuori della ricerca.
Le eccezionali capacità di indagine lo rendono uno strumento di analisi
estremamente potente in campo medico.
Si tratta di strumenti costosi, indicativamente 1 M€/tesla, che sfruttano campi
magnetici compresi attualmente fra 0.5 e 1.5 tesla, mentre stanno entrando
in servizio modelli con campi di 3 tesla. Il campo magnetico viene nella
maggior parte dei casi prodotto attraverso magneti superconduttori
in NbTi.
Si tratta di una metodologia relativamente poco invasiva, anche le dimensioni
ridotte del bore creano problemi per claustrofobia o simili. Inoltre i
riempimenti periodici di elio liquido rappresentano un problema logistico
aggiuntivo.
Metodologia
Mercato mondiale 2002 (G US$)
Frazione
Raggi-X
4.5
30%
Ultrasuoni
3.4
22%
MRI
3.2
21%
CT
3.0
19%
Medicina nucleare
1.3
8%
Totale
15.5
100%
fonte: Landesbank Baden-Württemberg Equity Research/Strategy2005
Giovanni Volpini
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Open Sky 0.5 T Cryogen Free MRI System
The First MgB2 Large Scale Application
Giovanni Volpini
Cortesia ASG Superconductors MASS ’08 LASA, 17 ottobre
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: caratteristiche tecniche principali
Main Magnet Parameters
Nominal Field in the Gap
0.5 T
Peak Field on the Conductor
1.3 T
Nominal Current
90 A
Number of Pancakes
12
Conductor Length (total)
18 km
Inductance
60 H
Overall Dimensions
2x2x2.4 m
Patient Available Gap
0.6 m
Weight
25000 kg
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Cortesia ASG Superconductors MASS ’08 LASA, 17 ottobre
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Dispositivi a Superconduttore per il sistema
elettrico di Trasmissione e Distribuzione
Cortesia Luciano Martini, CESI RICERCA
Potenziali benefici attesi
CAVI per trasporto di energia
Maggiore efficienza quindi minori costi di esercizio
Trasmissione a tensioni più basse a parità di potenza trasmessa
Compattezza maggiori densità di potenza trasmessa
TRASFORMATORI
Ridotto Peso ed Ingombro
Maggiori Efficienze
Elevate densità di Potenza
Minor Impatto ambientale (assenza di olio minerale)
Nessun rischio di incendio
LIMITATORI DI CORRENTE DI CORTO-CIRCUITO (SFCL)
Protezione dei sistemi elettrici
Riduzione istantanea del valore delle correnti di corto circuito
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Un SFCL protegge una linea di trasporto corrente nel breve intervallo di tempo (100 ms) che passa fra la
formazione di un cortocircuito e l’apertura degli interruttori. Non esistono tecnologie alternative che
permettano di raggiungere i medesimi risultati.
Liquido
criogenico
Avvolgimento
SAT
1.8m
Passanti di
corrente
Criostato
Condizioni Nominali
Condizioni di Guasto
Giovanni Volpini
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Cortesia Luciano Martini, CESI RICERCA
Limitatori di Corrente di
corto-circuito
Superconduttivi
ITER
What is ITER?
ITER is a joint international research and
development project that aims to
demonstrate the scientific and technical
feasibility of fusion power. The partners in
the project - the ITER Parties - are the
European Union (represented by EURATOM),
Japan, the People´s Republic of China,
India, the Republic of Korea, the Russian
Federation and the USA. ITER will be
constructed in Europe, at Cadarache in the
South of France.
The ITER device
What is fusion?
Fusion is the energy source of the sun and
the stars. On earth, fusion research is aimed
at demonstrating that this energy source
can be used to produce electricity in a safe
and environmentally benign way, with
abundant fuel resources, to meet the needs
of a growing world population.
Giovanni Volpini
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Poloidal Field
5-6 T, NbTi
Central Solenoid
13.5 T, Nb3Sn
Toroidal Magnet
11.8 T Nb3Sn
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Correction Coils
<6 T, NbTi
37
nave a propulsione
magnetoidrodinamica con magneti
superconduttori
Giovanni Volpini
MASS ’08 LASA, 17 ottobre
38
Grazie per l’attenzione!
Giovanni Volpini
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