Superconduttività e Magneti
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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 2 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 MASS ’08 LASA, 17 ottobre 4 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 MASS ’08 LASA, 17 ottobre 5 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 Giovanni Volpini MASS ’08 LASA, 17 ottobre 6 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 MASS ’08 LASA, 17 ottobre ferro 7 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 Giovanni Volpini MASS ’08 LASA, 17 ottobre 8 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 MASS ’08 LASA, 17 ottobre 9 Evoluzione della temperatura critica Giovanni Volpini MASS ’08 LASA, 17 ottobre 10 IIa Magneti per Acceleratori di Particelle... Giovanni Volpini MASS ’08 LASA, 17 ottobre 11 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 Giovanni Volpini MASS ’08 LASA, 17 ottobre 12 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 MASS ’08 LASA, 17 ottobre 13 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. Giovanni Volpini MASS ’08 LASA, 17 ottobre 14 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 MASS ’08 LASA, 17 ottobre Accelerators Sezione del Dipolo Giovanni Volpini MASS ’08 LASA, 17 ottobre 16 Sezione delle bobine all’interno del supporto meccanico Giovanni Volpini MASS ’08 LASA, 17 ottobre 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 MASS ’08 LASA, 17 ottobre 19 IIb ...e Magneti per Rivelatori di Particelle Giovanni Volpini MASS ’08 LASA, 17 ottobre 20 A Toroidal Lhc ApparatuS Giovanni Volpini MASS ’08 LASA, 17 ottobre 21 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 MASS ’08 LASA, 17 ottobre 22 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 MASS ’08 LASA, 17 ottobre 23 Il cavo superconduttore del BT Giovanni Volpini MASS ’08 LASA, 17 ottobre 24 Costruzione delle doppie gallette avvolgimento la doppia galletta viene rimossa dal mandrino di avvolgimento impregnazione in resina sottovuoto la doppia galletta Giovanni Volpini completata MASS ’08 LASA, 17 ottobre 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 MASS ’08 LASA, 17 ottobre 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 MASS ’08 LASA, 17 ottobre 28 Montaggio in caverna Giovanni Volpini MASS ’08 LASA, 17 ottobre 29 III Applicazioni per la società Giovanni Volpini MASS ’08 LASA, 17 ottobre 30 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 MASS ’08 LASA, 17 ottobre 31 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 32 : 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 Giovanni Volpini Cortesia ASG Superconductors MASS ’08 LASA, 17 ottobre 33 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 Giovanni Volpini MASS ’08 LASA, 17 ottobre 34 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 MASS ’08 LASA, 17 ottobre 35 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 MASS ’08 LASA, 17 ottobre 36 Poloidal Field 5-6 T, NbTi Central Solenoid 13.5 T, Nb3Sn Toroidal Magnet 11.8 T Nb3Sn Giovanni Volpini MASS ’08 LASA, 17 ottobre 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 MASS ’08 LASA, 17 ottobre 39
