Physik am Samstag. Die Jagd nach dem Feldrekord Forschung in hohen Magnetfeldern. Jochen Wosnitza

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1 Physik am Samstag Die Jagd nach dem Feldrekord Forschung in hohen Magnetfeldern Jochen Wosnitza Hochfeld-Magnetlabor Dresden (HLD) Jochen Wosnitza Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft

2 Ziel des HLD: 100 Tesla Was sind 100 Tesla? [ täss la ]

3 Ziel des HLD: 100 Tesla Was sind 100 Tesla? x 2

4 Ziel des HLD: 100 Tesla Was sind 100 Tesla? Paris 1956 Generalkonferenz für Maße und Gewichte 1 Tesla = 1 T = 1 Wb/m 2 = 1 Vs/m 2 Einheit der magnetischen Flussdichte Erde: 0, T

5 Ziel des HLD: 100 Tesla Was sind 100 Tesla? Paris 1956 Generalkonferenz für Maße und Gewichte 1 Tesla = 1 T = Gauß Einheit der magnetischen Flussdichte Erde: 0, T = 0,4 G

6 Inhalt Wo findet man Magnetfelder? Wie erzeugt man Magnetfelder? Wofür braucht man Magnetfelder?

7 10 9 T ~ 10 8 T 10 6 T 10 3 T Interne Felder in Magneten Oberfläche von Magneten 1T Magnetfelder in der Natur Neutronenstern 10-3 T Erdmagnetfeld µt 10-6 T Technische Streufelder urban noise Biologische Magnetfelder 10-9 T Feld in Galaxien T T

8 Die stärksten Magnetfelder in der Natur Neutronensternkollision (10 11 T nach 11 ms)

9 T gepulste Felder 1000 T Magnetfeld- Erzeugung resistive Bitter -Spulen 20 MW nötig für 33 T 100 T 20 HLD Kernspintomograph einfache Laborspulen 10 T Hybridspulen bis ~ 45 T bis zu ~ 33 T rein resistiv 1T supraleitende Spulen bis zu ~ 20 T 100 mt bis zu ~ 2 T mit Eisenjoch 10 mt 1 mt statisch

10 Weltweiter Wettbewerb B [T] 100 Flusskompressionsspulen [µs] 100 T: Das Ziel in drei Labors Los Alamos, Dresden, Tokyo Pulsmagnete [ms... s] Hybride bzw. Resistive Dauermagnete Supraleitende Dauermagnete Die Herausforderung: 100 T quasi-statisch für 0,01 1 s

11 Pulsfelderzeugung für Mikrosekunden Halb-destruktiv: Zerstörung einer Einwindungsspule

12 Die ultimative Feldstärke für µs Flusskompression durch Sprengung 2800 T Hochfeld-Magnetlabor Dresden (HLD) y Jochen Wosnitza y y

13 Am HLD zerstörungsfrei bis ~100 T Magnet D Magnet B B (T) Magnet A Time (s) Quasi-statische gepulste Felder von 0,01 bis 1 Sekunde: genügend Zeit für Messungen

14 Der 100 T-Magnet HLD100: >90 T / 10 ms / 20 mm T / 1000 ms / 40 mm kurz vor ersten Tests 90 T / 10 ms / 20 mm bei nur 9,5 MJ Energie... B (T) t (s)

15 Technische Herausforderung Lorentz-Kraft: q B v F = q v B Magnetischer Druck: P = B2 2µ 0 4 GPa bei 100 T!

16 Kräfte bändigen Bestes Drahtmaterial reißt bei etwa 1 GigaPascal ( bar) Verstärkung jeder Drahtlage mit isolierender Spezialfaser: Zylon hält ~5 GigaPascal aus

17 Wie füttert man die Spulen? Methode 1 Schwungradgenerator 1 GW 24 kv 34 ka 1800 rpm Gleichrichter 100 T-Magnet (9 Tonnen) Feldrekord: ~89 T

18 Wie füttert man die Spulen? Methode 2 Superconducting magnets and low-temp. cryostats Office 16 T 20 T 15 T 14 T 14 T 20 T SdH PPMS PPMS 14 T 20 mk Offizielle Office Eröffnung 0.3 K 15 T 7 T 7 T ESR 10 mk dhva MPMS MPMS Seminar Weltweit größte Kondensatorbank Capacitive Power Supply Control Magnet A 55 T 50 ms 22. Februar 2006 B 70 T 150 ms C 100 T 10 ms D 65 T 20 ms E 60 T 30 ms He recovery Logistics Optics/FEL R, M, χ,... C, κ,... Preparation and control D, E E max = 50 MJ, U max = 24 kv, I max = 500 ka, P max = 5 GW 52 m FEL/FIR beam

19 Was sind 50 MegaJoule Energie? 60 Tonnen bei 150 km/h 2,2 kg Schokolade

20 Was sind 5 GigaWatt Leistung? Leistung eines starken Raketenantriebs

21 Wat kost dat? Kosten für eine volle 50 MJ-Ladung (Aufladung mit ~0,6 MW in 90 s) ca. 2 Euro

22 Ein Puls im HLD B max = 65.5 T KS2a B(T) t(ms) Magnet A 55 T 50 ms B 70 T 150 ms C 100 T 10 ms D 65 T 20 ms E 65 T 20 ms Optics/FEL R, M, χ,... C, κ,... Preparation and control D, E FEL/FIR beam Deutschlandfunk vom

23 Wozu hohe Magnetfelder?

24 Wissenschaftliche Motivation Einzigartige Möglichkeiten Fundamentale Eigenschaften Materialwissenschaften Anwendungen

25 IR-Spektroskopie mit FELBE HLD ELBE Zyklotron-Resonanz ESR bei 1,3 THz

26 Verbesserung der Auflösung MR-Tomographie bei 1,5 T NMR in gepulsten Feldern Erstes ~2 GHz Proton-NMR- Experiment von J. Haase

27 Beispiel: Supraleitung In 2008 neue Klasse von Supraleitern entdeckt LOFA LaO 1-x F x FeAs

28 Spin off Elektromagnetische Pulsformung Kooperationen mit Firmen und Fraunhofer-Institut

29 Resümee Die Kunst der Spulenmanufaktur Das Nutzerlabor HLD Materialforschung

30 Danke an die Crew... und für die Aufmerksamkeit

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