在磁铁开始熔化之前防止其熔化

粒子加速器支持高能物理并服务于许多科学领域，例如材料、医学和聚变研究，它们是由超导磁体驱动的，简而言之，超导磁体非常挑剔。

超导体是一类特殊材料，当冷却到一定温度以下时，它可以无电阻地承载大电流。如果将材料排列成线圈，通过的电流将产生强磁场，以磁场的形式有效地存储移动电子的势能。

但是，如果它们变得太热(这里所说的热，我们指的是仅比-452华氏度(4.2开尔文)或液氦温度高几度)，它们就会突然恢复电阻并耗散磁场能量在快速爆发的热量中。

一种新型超导体，称为高温超导体(HTS)，即将迎来另一场科学技术革命。这些超导体有可能产生更高的磁场，同时比传统超导磁体更容易维持温度。

在新的高温超导材料中，这些不必要的加热事件(称为“淬火”)的成本特别高，因为它们会破坏磁体，损坏附近的部件，并消耗大量用于冷却磁体的珍贵液体冷却剂。由于其强大的特性，这些磁铁是目前研究和开发的热门话题，但保护它们免受破坏性事件的影响是其广泛应用的主要障碍。

最好的解决方案是设计一开始就不会淬火的高温超导磁体。

这就是劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员正在研究的内容。

加速器技术与应用物理(ATAP)部门的MaximMarchevsky和​​SorenPresemon制定了一项策略，以确定HTS磁体可以安全运行的条件，而不会出现突然热量积聚导致磁体失效的风险。

ATAP部门技术副总监Prestemon表示：“这有点类似于设计一架能够在发动机故障的情况下安全着陆的飞机，而不是设计一架能够在坠机事故中幸存下来的飞机。”他们的工作最近发表在《超导科学与技术》上。

由于高温超导磁体可以承受更高的电流密度和更宽的温度范围，同时仍然充当超导体，因此它们比低温磁体更不易失超。然而，在高温超导磁体中检测即将到来的失超更加困难，因为超导特性会在材料的非常小的区域中关闭。

这意味着线圈的巨大磁能在一小块区域内转化为热量，导致该位置的温度迅速升至极限。

这种超导性的损失通常是由于电流超过超导体的容量造成的，例如，由于材料结构的缺陷，或者由于冷却系统故障或错误的快速移动对磁体的影响而引起的热量增加。来自加速器或聚变反应堆的粒子。无论哪种方式，所产生的失超都更难以监控，并且可能比激活现有缓解系统更快地达到无法返回的程度。

幸运的是，数十年的高温超导研究和开发表明，这些材料可以承受轻微的热量积聚，但仍处于超导模式。利用这些知识，马尔切夫斯基和普雷斯特蒙意识到他们可以计算出一个操作参数窗口，在该窗口中高温超导导体将工作而不会失控而陷入失超。

“正因为如此，我们实际上可以以不同的方式解决这个问题。我们可以在磁铁中的某个地方寻找热量的迹象，如果我们足够早地检测到它，我们就可以安全地降低电流，而不会真正熄灭磁铁，”马尔切夫斯基说，ATAP的一名研究员物理学家。

科学家们的理论工作通过使用Bi-2223HTS材料(铋、锶、钙、铜和氧的化合物)带状样品的实验得到了验证，这些样品在可能发生微小温度波动的环境中提供高电流。检测并与数值预测进行比较。

下一步将是在用高温超导导体材料缠绕的实际线圈上测试他们的方法，以复制它们在粒子加速器和MRI机器等设备中采用的形式。

为了成功检测这些线圈中的预淬火状态，科学家们计划使用他们自己和ATAP同事开发的高灵敏度温度监测系统，ATAP是一个在基础和应用加速器磁体科学方面拥有深厚专业知识的小组。

“这将会带来一些挑战，因为我们需要分布式温度测量，但这是我们在过去几年中一直在努力的事情，”马尔切夫斯基说。他指出，传统的低温磁体失超检测系统会监测磁体上的电阻，这对于高温超导磁体来说效果不佳。“我们正在研究各种新技术并将其嵌入到我们真正的原型磁铁中。”

他们的技术包括基于超声波、基于射频和基于光纤的传感器系统。后一种方法是用于实验性等离子体聚变能反应堆的主要候选方法，这是高温超导磁体在现实世界中的首批应用之一。等离子体聚变反应堆需要强大的磁铁来将过热带电粒子的混合物限制在狭小的空间内，而高温超导磁铁有望在该领域取得突破。

Marchevsky和​​Prestemon希望监控整个磁体的分布式温度系统能够在任何区域接近安全温度窗口的上限时向操作员发出警报。然后，可以减少传递到磁体的电流并避免淬火。

如果成功，该方法可以使高温超导磁体得到广泛采用，最终产生比低温磁体更高的磁场和维护成本更低的磁体系统。这些节省将有助于降低所有加速器驱动的研究的成本，并有助于实现聚变能的登月目标。

ATAP的卡梅伦·格迪斯(CameronGeddes)表示：“这项工作中结合的基础科学和精确诊断体现了该实验室为推动高温超导体带来的无与伦比的‘介观到磁体’能力，将其作为加速器、核聚变和应用领域的变革性技术。”事业部主任。