MagLab 研發的微型磁鐵,創下超導磁鐵最強磁場的紀錄

微型磁鐵 / Credit: Florida State University

佛羅里達州立大學(Florida State University)的國家強磁場實驗室(National High Magnetic Field Laboratory, MagLab),發明了一種約衛生紙捲大小的微型磁鐵,創下超導磁鐵(superconducting magnet)最強磁場的紀錄。這代表更強、更小的電磁鐵將帶來比以往更多樣性的應用。這項研究被刊登在《自然》期刊(Nature)。

最強磁場

微型磁鐵的主導者,佛羅里達農工大學(FAMU-FSU)聯合工程學院的副教授,同時也是 MagLab 的工程師,韓松陽博士(Seungyong Hahn)表示:「我們確實開啟了一扇新的門,由於其緊湊的特性,該技術具有完全改變強磁場應用的巨大潛力。」

韓博士與團隊創造的微型磁鐵磁場強度高達 45.5 T(Tesla,磁場強度單位),前一個衛冕者的磁場強度是 45 T,也是由 MagLab 製造,但卻是一個重達 35 噸的龐然大物,而一般醫院 MRI 的磁場強度為 2 ~ 3 T。45 T 的磁鐵仍然是世界上可運作磁鐵中最強大的, 因為韓博士發明的磁鐵僅在測試中短暫超越,但也已經足以作為概念的實證。

新的材料與設計

這兩種磁鐵都是由超導體構成,45 T 磁鐵使用的超導體是鈮基合金(niobium-based alloys),45.5 T 磁鐵使用的超導體則是一種名為稀土鋇銅氧化物(rare earth barium copper oxide, REBCO)的新化合物。

REBCO 可容許的電流是相同尺寸鈮基超導體的兩倍以上,因此電流密度較高,自然能產生較強的電場。MagLab 首席材料科學家,大衛·拉伯雷斯帝教授(David Larbalestier)看到該產品有潛力將更多的能量送進磁鐵,並鼓勵韓博士一試。

另一項關鍵因素是這種磁鐵沒有絕緣。目前的電磁鐵在導電層之間含有一層絕緣層,讓電流導向最有效率的路徑,但也增加了重量和體積。

韓博士創新的磁鐵沒有絕緣,除了讓外表變得光滑,這種設計還可以保護磁鐵免於失去超導性的故障。當導體損壞或有缺陷阻擋電流通過特定路徑時,可能會讓材料升溫,並因為電阻重現而讓整個磁鐵過熱。若沒有絕緣,電流就能沿著不同路徑行進,而避免這種情形發生。

另一方面,超導線材會加入一些銅來幫助散熱,但無絕緣線圈的厚度僅有0.043 mm,可以大幅減少銅的需求。

困難與展望

REBCO 被做成帶狀,並且因為生產限制,需經進一步切割降低寬度,但也因此切割面容易在磁場中受力而破裂。拉伯雷斯帝教授表示,他們透過選購有單側未經切割的 REBCO 帶,並將未經切割的面定位在遠離磁體中心的位置,藉此控制損壞。

拉伯雷斯帝教授表示:「REBCO 的根本問題在於它是一種不能完美製造的單絲導體。因此,任何長度的導體都含有各種缺陷,這些缺陷對未來任何磁鐵的影響尚不清楚,但我們仍然喜歡這些挑戰。」

MagLab 主任葛瑞格.波賓格(Greg Boebinger)表示:「這確實是一個小型化的里程碑,它對磁鐵的影響可能會像矽對電路帶來的影響一樣。這種創新技術可能使小型磁鐵在粒子偵測器、核融合反應爐和醫學診斷工具等地方大顯身手。」

參考資料:

  1. Hahn, S., Kim, K., Kim, K., Hu, X., Painter, T., Dixon, I., . . . Larbalestier, D. C. (2019). 45.5-tesla direct-current magnetic field generated with a high-temperature superconducting magnet. Nature,570(7762), 496-499. doi:10.1038/s41586-019-1293-1
  2. Coyne, K. (2019, June 13). National MagLab creates world-record magnetic field with small, compact coil. Retrieved June 30, 2019.
EA
實習編輯,初出茅廬的社會新鮮人,在生活的庸碌中探索理想、生活還有理想的生活的模樣。

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