Yleisimmät käämigeometriat. 1 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Samankaltaiset tiedostot
sähköverkossa Suprajohtavan käämin suunnitteluperiaatteita eri käämigeometriat (Cont,) 1 Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Passiiviset piirikomponentit. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

sähköverkossa Yksikön toiminta, suprajohtavat materiaalit Suprajohtavuus sähköverkossa Risto Mikkonen

Luento 2. SMG-2100 Sähkötekniikka Risto Mikkonen

Luento 2. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Luento 2. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

järjestelmät Diskreettiaikaiset järjestelmät aikatason analyysi DEE Lineaariset järjestelmät Risto Mikkonen

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

DEE Suprajohtavuus

Johdanto, suprajohtavat materiaalit. DEE Suprajohtavuus

järjestelmät Luku 2 Diskreettiaikaiset järjestelmät - aikataso DEE Lineaariset järjestelmät Risto Mikkonen

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

Näytä tai jätä tarkistettavaksi tämän jakson tehtävät viimeistään tiistaina

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Magneettikenttä ja sähkökenttä

Potentiaali ja sähkökenttä: pistevaraus. kun asetetaan V( ) = 0

Nb 3 Sn (niobitina): - LTS-materiaali - suprajohtavat Nb 3 Sn-säikeet upotettuina pronssimatriisiin - keskellä diffuusiosuoja ja stabiloiva kupari

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Induktanssi ja magneettipiirit Sähkötekniikka/MV

Fysiikka 7. Sähkömagnetismi

SATE1120 Staattinen kenttäteoria kevät / 5 Laskuharjoitus 14: Indusoitunut sähkömotorinen voima ja kertausta magneettikentistä

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Hiukkaskiihdyttimet. Tapio Hansson

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

Magneettikenttä. Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän

Suomalainen tutkimus LHC:llä. Paula Eerola Fysiikan laitos ja Fysiikan tutkimuslaitos

Laskuharjoitus 2 Ratkaisut

Jakso 8. Ampèren laki. B-kentän kenttäviivojen piirtäminen

Luku 27. Tavoiteet Määrittää magneettikentän aiheuttama voima o varattuun hiukkaseen o virtajohtimeen o virtasilmukkaan

766320A SOVELTAVA SÄHKÖMAGNETIIKKA PERUSTEHTÄVIÄ RATKAISUINEEN

Aiheena tänään. Virtasilmukka magneettikentässä Sähkömagneettinen induktio. Vaihtovirtageneraattorin toimintaperiaate Itseinduktio

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

SATE2180 Kenttäteorian perusteet syksy / 5 Laskuharjoitus 5 / Laplacen yhtälö ja Ampèren laki

- Kahden suoran johtimen välinen magneettinen vuorovaikutus I 1 I 2 I 1 I 2. F= l (Ampèren laki, MAOL s. 124(119) Ampeerin määritelmä (MAOL s.

33 SOLENOIDIN JA TOROIDIN MAGNEETTIKENTTÄ

Magneetin suojaus ja quench. 1 DEE Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Kuva 8.1 Suoran virrallisen johtimen magneettikenttä (A on tarkastelupiste). /1/

Magneettikenttä. Magneettikenttä on magneettisen vuorovaikutuksen vaikutusalue. Kenttäviivat: Kenttäviivojen tiheys kuvaa magneettikentän voimakkuutta

TURVAKYTKIMET A TEKNISET TIEDOT

Kapasitiivinen ja induktiivinen kytkeytyminen

TOMI ANTTILA NBTI SUPRAJOHDEMAGNEETTIEN STABIILISUUS JA QUENCH- ANALYYSI

PUHDAS, SUORA TAIVUTUS

Sähkömagneettinen induktio

DEE Sähkötekniikan perusteet

34.2 Ulkoisen magneettikentän vaikutus ferromagneettiseen aineeseen

Magneettikentät. Haarto & Karhunen.

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause


DEE Kryogeniikka. Kryogeniikan sovellusalueita

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

sylinteri- ja rasiamalliset magneettikytkimet

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

2 Staattinen sähkökenttä Sähkövaraus ja Coulombin laki... 9

a P en.pdf KOKEET;

Vyöteoria. Orbitaalivyöt

Kryogeniikka ja lämmönsiirto. DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen

1.1 Magneettinen vuorovaikutus

Verkkodatalehti IMP05-01BPSVU2S IMP INDUKTIIVISET LÄHESTYMISKYTKIMET

1 Johdanto Mikä tämä kurssi on Hieman taustaa Elektrodynamiikan perusrakenne Kirjallisuutta... 8

Teoriaa tähän jaksoon on talvikurssin luentomonisteessa luvussa 10. Siihen on linkki sivulta

KANTTIKONE MAGNEETTIPURISTUKSELLA

Normaalisti valmistamme vastuksia oheisen taulukon mukaisista laadukkaista raaka-aineista. Erikoistilauksesta on saatavana myös muita raaka-aineita.

Vääntömoottorit, Sarja RAK Kiertokulma: Varsikääntölaite, kaksivaikutteinen Akselityyppi: Toispuoleinen

Laboratoriot ja kokeet

Harjoitus 10. KJR-C2001 Kiinteän aineen mekaniikan perusteet, IV/2016

SÄIEKOON VAIHTELUN VAIKUTUS NBTI-SUPRAJOHTEEN SUORITUSKYKYYN

Luento 1 / SMG-1100 Piirianalyysi I Risto Mikkonen

Suprajohtava generaattori tuulivoimalassa

FE 20, FE 25, MMT 25, PMT 25

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

Murtumismekaniikka III LEFM => EPFM

PYÖRÖ- JA MUOTOKUPARI- LANKOJEN TEKNISET TIEDOT

FYSP1082 / K4 HELMHOLTZIN KELAT

MEKAANINEN AINEENKOETUS

Luento 3. Millerin indeksit Kidevirheet Röntgendiffraktio Elastisuusteoria

10. Jännitysten ja muodonmuutosten yhteys; vaurioteoriat

Verkkodatalehti IQ08-04NPSKW2S IQY INDUKTIIVISET LÄHESTYMISKYTKIMET

RATKAISUT: 19. Magneettikenttä

Liite A : Kuvat. Kuva 1.1: Periaatekuva CLIC-kiihdyttimestä. [ 1 ]

FERRIITTISET RUOSTUMATTOMAT TERÄKSET.

VEKTORIKENTÄN ROTAATIO JA DIVERGENSSI, MAXWELLIN YHTÄLÖT

vetyteknologia Muut kennotyypit 1 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen

Luento 1. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Näytä tai jätä tarkistettavaksi tämän jakson tehtävät viimeistään tiistaina ylimääräisessä tapaamisessa.

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

SÄHKÖMAGNETISMI: kevät 2017

Vauriomekanismi: Väsyminen

Advanced Materials Araldite 2031 TUOTESELOSTE

BL20A0300. Suurjännitetekniikka

Theory Finnish (Finland) Suuri hadronitörmäytin (Large Hadron Collider, LHC) (10 pistettä)

Advanced Materials Araldite TUOTESELOSTE

Magneettikentät ja niiden määrittäminen

a) Piirrä hahmotelma varjostimelle muodostuvan diffraktiokuvion maksimeista 1, 2 ja 3.

Luento 1. 1 SMG-1100 Piirianalyysi I

SISÄLTÖ Venymän käsite Liukuman käsite Venymä ja liukuma lujuusopin sovelluksissa

MEI Kontinuumimekaniikka

Kryogeniikka ja lämmönsiirto. Dee Kryogeniikka Risto Mikkonen

vetyteknologia Vety yleisiä näkökulmia 1 Polttokennot ja vetyteknologia Risto Mikkonen

8. Yhdistetyt rasitukset

SMG-4450 Aurinkosähkö

Transkriptio:

DEE-54011 Suprajohtavuus Yleisimmät käämigeometriat 1 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Luvata SC28 K, 28158 NbTi filaments Dimension, bare mm 1.290 Tolerance m ± 4 Filament Diameter, m 4.75 Cu crosssection mm 2 0.804 RRR R 300K :R 10K 150 Twist pitch mm 22 2 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Luvata SC28 K, 28158 NbTi filaments B (T) I c (A) J c (A/mm 2 ) 5 1389 2764 6 1113 2216 7 830 1652 n-value (typical) 5 T 36 3 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Short sample arvo I c (B) ominaiskäyrä lyhyelle lankanäytteelle. T = 1.8 K, 4.2 K, 20 K, 77 K jne. Miksi magneetissa ei saavuteta short sample arvoja? Termiset jännitykset F = J x B Kääminnän aikana syntyneet jännitykset 4 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Short sample arvo (Cont.) Todellisiin arvoihin vaikuttaa: Johteen valinta Käämigeometria Jäähdytysolosuhteet Mekaaninen tuenta Solenoidi ~ 0.85-0.95 x I c Racetrack~ 0.4-0.8 x I c Toroidi, D-shape, baseball, ying-yang, satula, dipoli jne 5 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

6 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

7 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Muutamia käämigeometrioita 8 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Johdinsilmukan synnyttämä kenttä Virtaelementti dh Biot-Savart Idl luo pisteeseen P kentänvoimakkuuden 9 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Solenoidimagneetin synnyttämä kenttä 10 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Solenoidimagneetin synnyttämä kenttä Virtasilmukka (poikkipinta-ala da) pisteessä (r, z) aiheuttaa käämin keskelle kentänvoimakkuuden dh (0,0) Integroidaan: a 1 a 2 -b b z r 2 2( r 2 J da z 2 ) 3 2 H z (0,0) J a1 F(, ) missä 2 2 = a 2 / a 1 F(, ) ln 1 1 11 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen 2 = b / a 1

Solenoidimagneetin synnyttämä kenttä Kun kuljetaan z-akselia pitkin keskustasta poispäin, B pienenee. Kuljettaessa käämin keskitasossa säteettäisesti ulospäin, B kasvaa. Käämin johtimeen kohdistuu yleensä suurin vuontiheys B max käämin keskitasossa, sen sisäpinnassa B max, ) k( B 0 k( on laskettava numeerisesti Boom-Livingstone tasa-arvokäyrät 12 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Solenoidimagneetin synnyttämä kenttä 13 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Kriittinen tekijä vuontiheys käämissä Missä sijaitsee kriittinen kohta LTS-käämissä? Entä HTS-käämissä? 14 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Kriittinen tekijä vuontiheys käämissä HTS-teipin anisotrooppisuus! 15 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

HTS - kentän orientaatio vs I c 16 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Solenoidimagneetti, B 0 H z (0,0) 2a N I ( ln 1) 1 1 1 2 2 2 a a 2 1 b a 1 a) Ohut ympyrärengas b) Pitkä solenoidi c) Pannukakku H z (0,0)? 17 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Ohut ympyrärengas Pitkä solenoidi Pannukakku Solenoidimagneetti, B 0 H z (0,0) N I 2a 1 N I H z (0,0) 2b H z (0,0) N I 2 a 1 ln 1 18 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Racetrack / satula -käämitys - Kenttä kohtisuorassa käämin pitkää sivua vastaan. - Poikkeutusmagneetit, MHD-generaattorit, levitaatiojunien käämitykset. - Tarkka laskenta vaatii numeerisia menetelmiä (päädyt). 19 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Magnetic Levitated Train (Maglev) Superconducting magnets Japan Railway 500 km/hr 10 cm lift LTS magnets 4 magnets/cryostat 2 cryostats/coupling 7 W at 4 K 18 km test track 20 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

CERN Large Hadron Collider (LHC) 27 km ring circumference 1232 NbTi dipole magnets Each magnet 14.2 m long 8.36 T field (1.9 K cooling) 2007 expected completion Dipole magnet 7 TEV beam paths 1 TEV = 1 flying mosquito Volume = mosquito/10 12 21 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen Photo and drawing courtesy: CERN CERN LHC ridpp-ac-uk-lhc-cern.jpg

CERN / LHC 22 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Magnetic energy density 2 B E 2 o Magnetic stored energy at 5T E = 10 7 Joule.m -3 at 10T E = 4x10 7 Joule.m -3 LHC dipole magnet (twin apertures) E = ½ LI 2 L = 0.12H I = 11.5kA E = 7.8 x 10 6 Joules the magnet weights 26 tonnes so the magnetic stored energy is equivalent to the kinetic energy of:- 26 tonnes travelling at 88km/hr 23 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Poikkeutusmagneetit (synkrotronisäteily) 24 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

LTS Wiggler-magneetti, B 0 = 6.5 T 25 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Toroidi Fuusio; suljettu magneettipiiri aikaansaa soveliaan astian plasmalle. SMES; suurissa järjestelmissä tarvittava tila pienenee, kenttä vaimenee nopeammin (solenoidiin verrattuna). 26 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

500 MW:n ITER Gadarachiin vuonna 2021 27 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Ideaalinen toroidi r- ja z-suunnissa kenttä 0 toroidin sisällä J homogeeninen -suunnassa Amperen laki 2 H r d 2 r H N I 0 Siis B 0 H 0 2 N I r 28 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Toroidi (Cont.) Mikäli toroidi koostuu useasta erillisestä käämityksestä, B :tä ei voi johtaa suoraan Amperen laista edellä esitetyllä tavalla. Jos N on yli 20, approksimaatio usein riittävän tarkka. Numeeriset menetelmät 29 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Kääminnän esijännitys Termiset jännitykset Lorentz-voimat Mekaanisia näkökohtia F J B Kehäjännitys Aksiaalinen puristusjännitys Sisäänpäin suuntautuva jännitys 30 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Lorentz-voimat ja stabiilisuus C pieni J x B suuri Langan liike Mekaaniset häiriöt Lämpäenergian vapautuminen Quench 31 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Stabiilisuus; LTS vs HTS C C HTS,77K LTS,4.2K 10 4 10 5 Mitä päätelmiä voidaan tehdä edellisestä suhteesta? 32 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Mekaaniset jännitystilat Elastiset muodonmuutokset Johteen toimintaparametrien heikkeneminen Filamenttien murtuminen NbTi / Cu 500 MNm Nb 3 Sn / Cu 2 250 MNm 2 33 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Suprajohtava wiggler-magneetti Case B 0 = 6.5 T I = 300 A Magneetin päätylevyyn kohdistuu 200 tonnin paino Mekaaninen tuenta! 34 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Materiaalit 4.2 K:ssä Kupari, alumiini, ruostumaton teräs, messinki, epoksi Pääasiallisin ongelma haurastuminen Materiaalien erilainen terminen kutistuma; metallit 0-0.5 %, epoksit yli 1%. Suurin osa kutistumasta on tapahtunut jo 77 K:ssä. 35 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Termiset jännitykset Thelium Troom Y e 1 2 m dt Epoksihartsille Y 5.3 x 10 9 Nm -2 (300 K 4.2 K) 1 Y 2 Thelium ( Troom e m) Jännitys ~ 126 MNm -2 dt 36 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen

Recap vuonhyppy ja pinningkeskukset 37 DEE-54011 Suprajohtavuus Risto Mikkonen