Superconduttività e Magneti finale sito b e... · un campo magnetico critico al di sopra del quale la superconduttività scompare, con valori < 0.1 T. 1 tesla (T) = 10.000 gauss

Giovanni VolpiniMASS ’08 LASA, 17 ottobre

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SuperconduttivitSuperconduttivitàà& &

MagnetiMagneti

Giovanni Volpini, MASS08, 17 ottobre 2008Giovanni Volpini, MASS08, 17 ottobre 2008


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Outline

I La superconduttività

II Magneti per Acceleratori & Rivelatori di particelle

III Applicazioni per la società


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ILa superconduttività


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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...

Heike Kamerlingh OnnesHeike Kamerlingh Onnes, , (1853(1853--1926)1926)

“...le sue ricerche sulle proprietà delle sostanze alle basse temperature, che hanno portato, fra l’altro, alla liquefazione dell’elio.”


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la scoperta della superconduttivitla scoperta della superconduttivitààAll’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.

Temperatura [K]

Res

iste

nza

Cam

pio

ne

[Ω]


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I primi magneti superconduttori I primi magneti superconduttori (tentati) (tentati)

Immagini tratte da: www.museumboerhaave.nl/collectie/e_hoogtepunten.html Inv V09968

Bobina di filo di piombo (1000 spire) dimensioni: l 8,5 cm h: 2 cm d: 3,5 cm

1913

Bobina di filo di stagno, 252 avvolgimenti, per esperimenti di

superconduttivitàdimensioni: h: 1,5 cm diam.: 3 cm

circa 1910

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


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I magneti tradizionali e i loro limiti

Elettromagnete con giogo in ferro (Leida 1930, 2.5 m x 2.5 m x 2.0 m, peso 14 tonnellate)

il campo massimo ècomunque limitato a ~2 T per la saturazione del ferro

Elettromagnete in aria, genera 10 T in un diametro utile di 10 cm. (Berkeley 1959)

Richiede una potenza elettrica di 7.5 MW

1 tesla (T) = 10.000 gauss (G)il campo magnetico terrestre è

di circa 0.3 G


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Il primo magnete superconduttore Il primo magnete superconduttore (riuscito) (riuscito)

Yntema 19540.71 T @ 4.2 K , Corrente = 1.82 A900 A/mm²

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

• i campi magnetici critici raggiungono valori di T o di decine di T.

PRL 104 15 nov ‘56


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Crit

ical

Cur

rent

Den

sity

(non

-Cu)

,A/m

m²

10

100

1,000

10,000

100,000

1,000,000

0 5 10 15 20 25 30 35

Applied Field, T

YBCO: Tape, || Tape-plane, SuperPower(Used in NHMFL tested Insert Coil 2007)

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)

Nb-Ti: Max @1.9 K for whole LHC NbTistrand production (CERN, Boutboul '07)

Nb-Ti: Nb-47wt%Ti, 1.8 K, Lee, Naus andLarbalestier UW-ASC'96

Nb3Sn: Non-Cu Jc Internal Sn OI-ST RRP1.3 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-STRRP 1.3 mm, ASC'02/ICMC'03

Nb3Al: RQHT+2 At.% Cu, 0.4m/s (Iijima et al2002)

Bi 2223: Rolled 85 Fil. Tape (AmSC) B||,UW'6/96

Bi 2223: Rolled 85 Fil. Tape (AmSC) B|_,UW'6/96

MgB2: 4.2 K "high oxygen" film 2, Eom etal. (UW) Nature 31 May '02

MgB2: Tape - Columbus (Grasso) MEM'06

2212round wire

2223tape B|_

At 4.2 K UnlessOtherwise Stated

Nb3SnInternal Sn

Nb3Sn1.8 K

2223tape B||

Nb3SnITER

MgB2

film MgB2

tape

Nb3Al:RQHT

1.9 K LHCNb-Ti

YBCO B||cYBCO B||ab

Fonte: http://magnet.fsu.edu/~lee/plot/plot.htm


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Evoluzione della temperatura critica


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IIaMagneti per

Acceleratori di Particelle...


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Il Large Hadron Collider (LHC) rappresenta lo strumento piùpotente mai costruito per l’indagine delle particelle elementari.

LHC

• L’energia più alta fra tutti gli acceleratori di particelle

• I fasci di particelle piùintensi

• 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

• Dipoli per la curvatura • Quadrupoli per la

focalizzazione • Sestupoli, Ottupoli per

l’ottica dei fasci • Magneti di Correzione

dal dipolo al decapolo

Le componenti principali di un acceleratore

P [TeV/c] = 0.3 B [T] R [km]

7 Tev/c = 0.3 x 8.33 T x 2.8 km


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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.

Perché la superconduttività in LHC


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Magneti Dipolari per AcceleratoriMagneti Dipolari per AcceleratoriTevatron Fermilab, USA1987, B 4.4 T

HERADESY, D1990, B 4.65 T

SSCUSA6.61 T

RHICBNL, USA2000 4.5 T

LHCCERN, Europe2008, 8.3 T

da: S. Prestemon, Superconductivity for Accelerators


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Sezione del Dipolo


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Sezione delle bobine allSezione delle bobine all’’interno interno del supporto meccanicodel supporto meccanico


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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 superconduttore e delle attrezzature e procedure costruttive nell’Industria, per un impegno totale di circa 7.5 M€.


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La costruzione di LHCLa costruzione di LHC

Magneti+criogenia = 66%

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.


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IIb...e Magneti per

Rivelatori di Particelle


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A Toroidal Lhc ApparatuS


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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 LHC.


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VoussoirCoilCasing

DoubleDoublePancakePancake

Schermi TermiciSchermi Termici

Camera a vuot0

sezione di una bobina del Barrel Toroidsezione di una bobina del Barrel Toroid

in colorecolore le componenti sotto responsabilità del LASA

Cavo SuperconduttoreCavo Superconduttore


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Il cavo superconduttore del BTIl cavo superconduttore del BT


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Costruzione delle doppie galletteCostruzione delle doppie gallette

avvolgimentoavvolgimento

la doppia galletta viene la doppia galletta viene rimossa dal mandrino di rimossa dal mandrino di avvolgimento avvolgimento

la doppia galletta la doppia galletta completatacompletata

impregnazione impregnazione in resina in resina sottovuotosottovuoto


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alcune fasi della integrazione @ CERN

attrezzo di ribaltamento per attrezzo di ribaltamento per ll’’incassamento delle bobineincassamento delle bobine

un coil casing completo di due un coil casing completo di due bobine, pronto per la bobine, pronto per la ““bladderizzazionebladderizzazione””

le doppie gallette impilate in le doppie gallette impilate in attesa dellattesa dell’’integrazione 1integrazione 1

il coil casing mentre viene calato il coil casing mentre viene calato su una doppia gallettasu una doppia galletta

vengono montati i vengono montati i coperchi coperchi che che chiudono la doppia gallettachiudono la doppia galletta


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schermi termicischermi termici

due schermi termici durante i collaudi due schermi termici durante i collaudi finali (dx) e il montaggio dei tronconi (sx) finali (dx) e il montaggio dei tronconi (sx)


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alcune fasi dellalcune fasi dell’’integrazioneintegrazione


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Montaggio in cavernaMontaggio in caverna


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IIIApplicazioni per la società


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MRI

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

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.


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Open Sky 0.5 T Cryogen Free MRI System

The First MgB2 Large Scale Application

Cortesia ASG Superconductors


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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

: caratteristiche tecniche principali

Cortesia ASG Superconductors


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Dispositivi a Superconduttore per il sistema elettrico di Trasmissione e Distribuzione

CAVI per trasporto di energiaMaggiore efficienza Maggiore efficienza quindi minori costi di esercizioTrasmissione a tensioni piTrasmissione a tensioni piùù basse basse a parita paritàà didi potenza trasmessaCompattezza Compattezza maggiorimaggiori densità di potenza trasmessa

TRASFORMATORIRidotto Peso ed IngombroRidotto Peso ed IngombroMaggiori EfficienzeMaggiori EfficienzeElevate densitElevate densitàà di Potenzadi PotenzaMinor Impatto ambientale Minor Impatto ambientale (assenza di olio minerale)(assenza di olio minerale)Nessun rischio di incendioNessun rischio di incendio

LIMITATORI DI CORRENTE DI CORTO-CIRCUITO (SFCL)Protezione dei sistemi elettriciProtezione dei sistemi elettriciRiduzione istantanea del valore delle correnti di corto circuiRiduzione istantanea del valore delle correnti di corto circuitoto

Potenziali benefici attesi

Cor

tesi

a Lu

cian

o M

artin

i, C

ESI R

ICER

CA


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Limitatori di Corrente di corto-circuito

Superconduttivi

Condizioni Nominali Condizioni di Guasto

1.8m

Criostato

Avvolgimento SAT

Passanti di corrente

Liquido criogenico

Cor

tesi

a Lu

cian

o M

artin

i, C

ESI R

ICER

CA

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.


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ITERWhat 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 deviceWhat 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.


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Central Solenoid13.5 T, Nb3Sn

Toroidal Magnet11.8 T Nb3Sn

Poloidal Field5-6 T, NbTi

Correction Coils<6 T, NbTi


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nave a propulsione nave a propulsione magnetoidrodinamica con magneti magnetoidrodinamica con magneti

superconduttorisuperconduttori


39

Grazie per l’attenzione!

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Superconduttività e Magneti finale sito b e... · un campo magnetico critico al di sopra del quale la superconduttività scompare, con valori < 0.1 T. 1 tesla (T) = 10.000 gauss