Die Jagd nach dem Feldrekord Forschung in hohen Magnetfeldern

Transkript

1 Die Jagd nach dem Feldrekord Forschung in hohen Magnetfeldern Jochen Wosnitza Physik am Samstag 3. Dezember

2 Ziel des HLD: 100 Tesla 2 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Was sind 100 Tesla? [ täss la ]

3 Ziel des HLD: 100 Tesla 3 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Was sind 100 Tesla? x 2

4 Ziel des HLD: 100 Tesla 4 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft 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 5 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft 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 6 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Wo findet man Magnetfelder? Wie erzeugt man Magnetfelder? Wofür braucht man Magnetfelder?

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

8 Stärkstes Magnetfeld in der Natur 8 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Neutronensternkollision (10 11 T nach 11 ms)

9 T gepulste Felder resistive Bitter -Spulen 1000 T 20 MW nötig für 35 T 100 T 20 HLD Kernspintomograph einfache Laborspulen 10 T 1T Magnetfeld- 100 mt Erzeugung Kosten: 14.4 M$ Leistung: 33 MW Hybridspulen bis ~ 45 T bis zu ~ 33 T rein resistiv supraleitende Spulen bis zu ~ 22 T bis zu ~ 2 T mit Eisenjoch 10 mt 1 mt statisch

10 Pulsfelderzeugung für Mikrosekunden 10 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Halb-destruktiv: Zerstörung einer Einwindungsspule

11 Die ultimative Feldstärke für µs Flusskompression durch Sprengung 2800 T 11 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft

12 HLD-Ziel: zerstörungsfrei bis ~100 T 12 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft B (T) t (ms) Quasi-statische gepulste Felder von 0,01 bis 1 Sekunde: genügend Zeit für Messungen

13 Technische Herausforderung 13 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Lorentz-Kraft: B q v F = q v B Magnetischer Druck: P = B2 2µ 0 4 GPa bei 100 T!

14 Kräfte bändigen 14 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Bestes Drahtmaterial reißt bei etwa 1 GigaPascal ( bar) Verstärkung jeder Drahtlage mit isolierender Spezialfaser: Zylon hält ~5 GigaPascal aus

15 Spulentest 15 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Bmax = 65.5 T KS2a 50 B(T) mm bore t(ms) Ursache finden und verbessern

16 Weltrekord am Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft

17 New High Magnetic Field Record 97.4 Tesla confirmed via magneto quantum oscillations in poly-crystalline copper * 97.4 Tesla 10 mm *World Record magnetic field intensity for a Non Destructive Pulsed Magnet

18 Wie füttert man die Spulen? Methode 1 18 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Schwungradgenerator 1 GW 24 kv 34 ka 1800 rpm Gleichrichter 97 T-Magnet (9 Tonnen)

19 Wie füttert man die Spulen? Methode 2 19 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Office Office Seminar Superconducting magnets and low-temp. cryostats 16 T ESR 20 T 10 mk Weltweit größte Kondensatorbank 20 T 0.3 K 15 T SdH 15 T dhva 14 T PPMS 7 T MPMS Capacitive Power Supply 14 T PPMS 7 T MPMS 14 T 20 mk Control Magnet A 55 T 50 ms 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,,... C,,... Preparation and control D, E FEL/FIR beam E max = 50 MJ, U max = 24 kv, I max = 500 ka, P max = 5 GW 52 m

20 Was sind 50 Megajoule Energie? 20 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft 60 Tonnen bei 150 km/h 2,2 kg Schokolade

21 Was sind 5 Gigawatt Leistung? 21 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Leistung eines starken Raketenantriebs

22 Wat kost dat? 22 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Kosten für eine volle 50 MJ-Ladung (Aufladung mit ~0,6 MW in 90 s) ca. 2 Euro

23 Ein Puls im HLD B max = 65.5 T KS2a 40 B(T) t(ms) Magnet A 70 T 150 ms B 60 T 1500 ms C 90 T 10 ms D 65 T 20 ms E 50 T 100 ms Optics/FEL R, M,,... C,,... Preparation and control D, E FEL/FIR beam Deutschlandfunk vom Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft

24 Wozu hohe Magnetfelder? 24 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft

25 Wozu hohe Magnetfelder? 25 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Grundlagenforschung in Physik - Magnetismus - Supraleitung - Halbleiter - Nanostrukturen... Anwendungen - Pulsumformung - Elektromotoren - Medizin...

26 26 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Was kann man messen? Magnetostriktion: Auflösung Magnetresonanz in gepulsten Feldern 2 Pulsed-field spin echo U (mv) 0-2 Real Part Imaginary Part Magnitude t ( s)

27 Magnetische Substanzen 27 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft 2 0 CdCr 2 O 4 T = 1.4 K v/v (10-3 ) -2? -4 Inkommensurabel B (T) Verständnis der magnetischen Wechselwirkungen Bessere Permanentmagnete

28 Supraleiter Stabilität des supraleitenden Zustands Verständnis der Supraleitung Kooperation mit 28 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft

29 Supraleiter x = 0.15 Nd 2-x Ce x CuO 4 Oszillationen des Widerstands im normalleitenden Zustand Verständnis der elektronischen Eigenschaften und damit der Supraleitung Kooperation mit 29 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft

30 Kohlenstoff-Nanoröhren k quantisiert Dk 2 = 2 n 2.0 Ф Ф 0 Metall k Aharonov Bohm-Effekt: Phasenverschiebung der Wellenfunktion durch das angelegte Magnetfeld Für 1 nm Durchmesser: 0 = 5000 T G (e 2 /h) B 0.5 V g = + 6 V T = 4.2 K Halbleiter B (Tesla) Kooperation mit Uni Regensburg 30 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft

31 31 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Spin off Elektromagnetische Pulsformung Kooperationen mit dem Fraunhofer-Institut IWS

32 Resümee 32 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Magnetfelder wo und wie? Die Kunst der Spulenmanufaktur Materialforschung

33 Danke an die Crew... und für die Aufmerksamkeit 33 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft