DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33641-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41501333
تاريخ النشر: 2026-01-07
المؤلف: Geonyoung Kim وآخرون
الموضوع الرئيسي: فيزياء الموصلية الفائقة والمغناطيسية
نظرة عامة
تناقش هذه القسم التقدم في المغناطيسات فائقة التوصيل عند درجات حرارة عالية (HTS)، مع التركيز بشكل خاص على تطبيقاتها في التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، والرنين النووي المغناطيسي (NMR)، والاندماج، ومسرعات الجسيمات، التي تتطلب مغناطيسات عالية المجال. تؤكد الدراسة على أهمية تحقيق مجالات مغناطيسية متجانسة مكانيًا ومستقرة زمنيًا في السنكروترونات، وخاصة لمغناطيسات ثنائية القطب عالية المجال ذات هندسة السرج المصنوعة من REBCO (أكسيد النحاس الباريوم للأرض النادرة). على الرغم من الاهتمام المتزايد بـ REBCO، إلا أن هناك نقصًا في الدراسات الدقيقة حول تجانس المجال واستقراره، مما دفع المؤلفين للتحقيق في تحسينات في هذه المجالات.
يقدم المؤلفون تحسينًا في تجانس المجال في مغناطيس ثنائي القطب من نوع السرج بدون عزل (NI) من REBCO مصمم لتوليد مجال مركزي قدره 0.5 تسلا. قاموا بتقييم استراتيجيتين لتعزيز تجانس المجال المغناطيسي: عكس تدفق التيار (CSR) وتعديل سلبي باستخدام ferroshim من AISI 1008. تشير النتائج إلى أن CSR حقق تحسينًا يقارب $0.4 \times 10^{-4}$ في التجانس المكاني، بينما حقق ferroshim تحسينًا أكبر قدره $4.5 \times 10^{-4}$. كما تفيد الدراسة بأن التوافقيات هي في الغالب سداسية مع بقايا مائلة ضئيلة، وأن الانجراف الزمني يتم الحفاظ عليه عند $\leq 0.38 \times 10^{-4} \, \text{h}^{-1}$. بشكل عام، توفر النتائج نهجًا عمليًا لتحقيق تجانس المجال من فئة فائقة التوصيل عند درجات حرارة منخفضة (LTS) في مغناطيسات ثنائية القطب المدمجة والخالية من المبردات باستخدام تقنية NI HTS.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على مزايا المغناطيسات فائقة التوصيل عند درجات حرارة عالية (HTS)، وخاصة تلك الملفوفة بشريط REBCO، للتطبيقات المدمجة والخالية من المبردات. تتميز هذه المغناطيسات بكثافة تيار عالية عند درجات حرارة مرتفعة وتوافقها مع التبريد بالتوصيل. تعزز تقنية لف بدون عزل (NI) الاستقرار الحراري ومشاركة التيار بين اللفات، مما يجعل لفائف NI HTS مناسبة للتطبيقات الدقيقة مثل مغناطيسات ثنائية القطب، حيث يكون تجانس واستقرار المجال المغناطيسي أمرًا أساسيًا.
ومع ذلك، تتناول الورقة التحدي الذي تطرحه المجالات الناتجة عن تيارات الحماية (SCIF)، والتي تنشأ من تيارات الحماية داخل الطبقة الفائقة التوصيل في بيئات مغناطيسية متغيرة. يمكن أن تؤدي هذه التيارات إلى مجالات مغناطيسية غير متجانسة، خاصة في المغناطيسات ثنائية القطب ذات شكل السرج، حيث يمكن أن تؤدي العوامل الهندسية إلى تفاقم المشكلة. يحقق المؤلفون فعالية تقنية عكس تدفق التيار (CSR) وتقنيات التعديل السلبي في التخفيف من آثار SCIF في مغناطيس ثنائي القطب على شكل السرج مصمم لمجال مستهدف قدره 0.5 تسلا. تتضمن الدراسة تصميم وتصنيع واختبار المغناطيس، بالإضافة إلى تحليل كيفية تأثير إدخال CSR وferroshim على تجانس المجال. توفر النتائج رؤى حول قيود المواد الحالية ومكان الشيم، مما يقدم في النهاية إرشادات تصميم لتحسين أداء مغناطيسات NI HTS في أنظمة مدمجة وخالية من المبردات.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون تصميم وبناء وإعداد تجريبي لمغناطيس ثنائي القطب نموذجي، مع التركيز على تحسين تجانس المجال المغناطيسي وتقليل المكونات التوافقية غير المرغوب فيها. يتم تعريف التجانس \( u \) بشكل كمي، ويتم تحليل المحتوى التوافقي باستخدام تمثيل في المستوى المعقد لتمييز بين الحدود الطبيعية والمائلة. يتضمن التصميم ثلاثة أزواج من الملفات، مما يوازن بين ضبط التجانس وتعقيد التصنيع، محققًا مجالًا مركزيًا على المحور قدره 0.49 تسلا عند 200 أمبير. تشير التحليلات التوافقية إلى أنه بينما تختفي الحدود المائلة بشكل مثالي بسبب التناظر، إلا أن هناك مكونات بقايا صغيرة موجودة في الممارسة العملية.
شملت مرحلة البناء تقنيات مبتكرة للف الملفات غير المستوية وتنفيذ مخطط انضمام خالٍ من التدفق للموصلات المطلية بـ REBCO، والتي يصعب توصيلها. يصف المؤلفون استخدام وصلات لاب خالية من اللحام واستراتيجيات محددة لتعزيز مقاومة الاتصال، محققين مقاومة وصلات أقل من µΩ على الرغم من تجاوزها لقيم المقاومة النموذجية. يتضمن الإعداد التجريبي تخطيطًا تفصيليًا للأجهزة للتجميع والاختبار، مع تثبيت حراري وأجهزة استشعار للحرارة موضوعة بشكل استراتيجي في جميع أنحاء المغناطيس. يتم استخدام جهاز مخصص لرسم الخرائط الميدانية لقياس المجال المغناطيسي في نقاط مختلفة، مما يضمن المعايرة الدقيقة ومحاذاة المكونات.
نتائج
في قسم النتائج، تم تقييم أداء التبريد وخصائص المجال المغناطيسي لمغناطيس مُبرد بالتوصيل. كانت مدة التبريد من الحالة المحيطة إلى الحالة المستقرة 29.2 ساعة، محققة درجات حرارة مستقرة قدرها 45.7 كلفن لرأس التبريد من المرحلة الأولى، و51.0 كلفن لدرع الإشعاع، و8.7 كلفن لرأس التبريد من المرحلة الثانية. تم ضبط التيار التشغيلي عند 200 أمبير، مما أنتج مجالًا مغناطيسيًا مركزيًا قدره 0.49 تسلا. أثناء الشحن، تم الحد من زيادة درجة الحرارة إلى أقل من 2.5 كلفن، مما يشير إلى أن المصدر الرئيسي للتسخين كان موصلات التيار بدلاً من تجاوز التيار بين اللفات. تم ملاحظة زيادة مؤقتة في درجة الحرارة تبلغ حوالي 0.3 كلفن خلال أحداث التفريغ المفاجئ.
كشفت التحقيقات الإضافية في تجانس المجال المغناطيسي عند 200 أمبير عن تجانس أساسي قدره \(14.0 \times 10^{-4}\) عند نصف قطر 15 مم، وهو أسوأ بكثير من الهدف التصميمي البالغ \(1.9 \times 10^{-4}\). بعد إدخال ferroshim، تحسن التجانس إلى \(9.5 \times 10^{-4}\)، محققًا 72% من التحسين المتوقع. تشير النتائج إلى أنه بينما عزز تركيب ferroshim تجانس المجال، إلا أن تحسينات إضافية ضرورية لتلبية مواصفات التصميم، خاصة في التطبيقات عالية المجال.
مناقشة
في قسم المناقشة هذا، يحلل المؤلفون أداء وقيود مغناطيس ثنائي القطب على شكل السرج المزود بـ ferroshims بهدف تحسين تجانس المجال المغناطيسي. وجدوا أن التحسين المتوقع في التجانس لم يتحقق بسبب عدم كفاية مغنطة ferroshims، التي وصلت فقط إلى 27% إلى 36% من مستوى التشبع المقصود البالغ 2.1 تسلا. أدت هذه المغنطة الناقصة إلى زيادة في المجال المركزي قدرها 27% فقط من القيمة المتوقعة، مما يشير إلى وجود اختلافات كبيرة بين توقعات التصميم والأداء الفعلي. استخدم المؤلفون نهجين تحليليين – تحليل ارتفاع المجال المركزي ومحاكاة خريطة المجال – لت quantifying المغنطة الفعالة وتأكيد عدم كفاية ferroshims.
بالإضافة إلى ذلك، قدم المؤلفون تقنية عكس تدفق التيار (CSR) للتخفيف من آثار المجالات الناتجة عن تيارات الحماية (SCIF)، التي تشوه ملف المجال المغناطيسي. من خلال الشحن الزائد للمغناطيس عمدًا قبل العودة إلى التيار المطلوب، لاحظوا تحسينات في استقرار المجال وتجانيه. تسلط الدراسة الضوء على أهمية تحسين تصميم ferroshim، بما في ذلك توصيف المواد ومكانها، لتعزيز تجانس المجال المغناطيسي بشكل أكبر. ستركز الأعمال المستقبلية على تحسين هذه المعلمات ودمج خصائص B-H عند درجات حرارة منخفضة في عملية التصميم لسد الفجوة بين المغنطة النموذجية والمحققة، مما يحسن في النهاية أداء المغناطيس في التطبيقات العملية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33641-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41501333
Publication Date: 2026-01-07
Author(s): Geonyoung Kim et al.
Primary Topic: Physics of Superconductivity and Magnetism
Overview
This section discusses the advancements in high-temperature superconducting (HTS) magnets, particularly focusing on their applications in MRI, NMR, fusion, and particle accelerators, which necessitate high-field magnets. The study emphasizes the importance of achieving spatially homogeneous and temporally stable magnetic fields in synchrotrons, specifically for high-field dipole magnets of saddle geometry made from REBCO (Rare Earth Barium Copper Oxide). Despite the growing interest in REBCO, there is a lack of rigorous studies on field uniformity and stability, prompting the authors to investigate improvements in these areas.
The authors present an improved field uniformity in a conduction-cooled, no-insulation (NI) REBCO saddle dipole magnet designed to generate a central field of 0.5 T. They evaluated two strategies to enhance magnetic field uniformity: current sweep reversal (CSR) and passive shimming using an AISI 1008 ferroshim. The results indicate that CSR achieved approximately $0.4 \times 10^{-4}$ improvement in spatial uniformity, while the ferroshim yielded a more significant enhancement of $4.5 \times 10^{-4}$. The study also reports that the harmonics are predominantly sextupole with minimal skew residuals, and the temporal drift is maintained at $\leq 0.38 \times 10^{-4} \, \text{h}^{-1}$. Overall, the findings provide a practical approach to achieving low-temperature superconducting (LTS)-class field uniformity in compact, cryogen-free dipole magnets utilizing the NI HTS technique.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the advantages of high-temperature superconducting (HTS) magnets, particularly those wound with REBCO tape, for compact, cryogen-free applications. These magnets are characterized by high current density at elevated temperatures and compatibility with conduction cooling. The no-insulation (NI) winding technique enhances thermal stability and current sharing between turns, making NI HTS coils suitable for precision applications such as dipole magnets, where uniformity and stability of the magnetic field are essential.
However, the paper addresses the challenge posed by screening-current-induced fields (SCIF), which arise from screening currents within the superconducting layer in varying magnetic environments. These currents can lead to nonuniform magnetic fields, particularly in saddle-shaped dipoles, where geometric factors can exacerbate the issue. The authors investigate the effectiveness of current sweep reversal (CSR) and passive shimming techniques in mitigating SCIF effects in an NI HTS saddle-shaped dipole designed for a target field of 0.5 T. The study includes the design, fabrication, and testing of the magnet, as well as an analysis of how CSR and ferroshim insertion affect field uniformity. The findings provide insights into the limitations of current materials and shim placement, ultimately offering design guidelines for improving the performance of NI HTS dipoles in compact, cryogen-free systems.
Methods
In this section, the authors detail the design, construction, and experimental setup of a prototype dipole magnet, focusing on optimizing magnetic field uniformity and minimizing unwanted harmonic components. The uniformity \( u \) is quantitatively defined, and the harmonic content is analyzed using a complex plane representation to distinguish between normal and skew terms. The design incorporates three coil pairs, balancing uniformity tuning and manufacturing complexity, achieving an on-axis central field of 0.49 T at 200 A. The harmonic analysis indicates that while skew terms ideally vanish due to symmetry, small residual components are present in practice.
The construction phase involved innovative techniques for winding non-planar coils and implementing a flux-free joining scheme for REBCO coated conductors, which are challenging to splice. The authors describe the use of solder-free lap joints and specific strategies to enhance contact resistance, achieving sub-µΩ joint resistance despite exceeding typical resistivity values. The experimental setup includes a detailed hardware layout for assembly and testing, with thermal anchoring and temperature sensors strategically placed throughout the magnet. A custom-built field-mapping apparatus is employed to measure the magnetic field at various points, ensuring precise calibration and alignment of the components.
Results
In the results section, the cooling performance and magnetic field characteristics of a conduction-cooled magnet were evaluated. The cooldown duration from ambient to steady state was 29.2 hours, achieving stable temperatures of 45.7 K for the first-stage cold head, 51.0 K for the radiation shield, and 8.7 K for the second-stage cold head. The operational current was set at 200 A, producing a central magnetic field of 0.49 T. During charging, the temperature increase was limited to below 2.5 K, indicating that the primary heating source was the current leads rather than inter-turn current bypass. A transient temperature rise of approximately 0.3 K was noted during sudden discharge events.
Further investigations into magnetic-field uniformity at 200 A revealed a baseline uniformity of \(14.0 \times 10^{-4}\) at a radius of 15 mm, which was significantly worse than the design target of \(1.9 \times 10^{-4}\). After the insertion of a ferroshim, the uniformity improved to \(9.5 \times 10^{-4}\), achieving 72% of the anticipated improvement. The results suggest that while the ferroshim installation enhanced field uniformity, further optimizations are necessary to meet design specifications, particularly in high-field applications.
Discussion
In this discussion section, the authors analyze the performance and limitations of a saddle-shaped dipole magnet equipped with ferroshims aimed at improving magnetic field uniformity. They found that the expected enhancement in uniformity was not achieved due to insufficient magnetization of the ferroshims, which only reached 27% to 36% of the intended saturation level of 2.1 T. This under-magnetization resulted in a central field gain of only 27% of the predicted value, indicating significant discrepancies between design expectations and actual performance. The authors employed two analytical approaches—central-field rise analysis and field-map simulations—to quantify the effective magnetization and confirm the inadequacy of the ferroshims.
Additionally, the authors introduced a current sweep reversal (CSR) technique to mitigate the effects of screening current-induced fields (SCIF), which distort the magnetic field profile. By intentionally overcharging the magnet before returning to the desired current, they observed improvements in field stability and uniformity. The study highlights the importance of optimizing ferroshim design, including material characterization and placement, to enhance magnetic field uniformity further. Future work will focus on refining these parameters and integrating low-temperature B-H characteristics into the design process to close the gap between modeled and realized magnetization, ultimately improving the performance of the magnet in practical applications.