Första gången någonsin – supraledande magneter ska serietillverkas i Sverige

2021-11-29 06:00  

För första gången ska supraledande magneter serietillverkas i Sverige. Två universitet och tre småländska företag utvecklar nu en ny typ av magneter – och drömkunden är partikelacceleratorn vid Cern.

En supraledare är ett material som kan leda ström utan resistans. Sådana material är fördelaktiga att använda i starka elektromagneter.

För att materialet ska bli supraledande behöver det dock kylas till under en kritisk temperatur som ofta ligger nära den absoluta nollpunkten. I dag finns ingen etablerad tillverkning av supraledande magneter inom Sverige.

Forskningsprojektet är ett samarbete mellan Uppsala universitet, Linnéuniversitetet, Scanditronix Magnet AB, Ryd-Verken AB och Vattenskärningsteknik i Vislanda AB. Projektet ska höja kompentensen om supraledande magneter inom Sverige för att kunna starta tillverkning av en ny sorts magneter för partikelacceleratorer.

Maja Olvegård förklarar hur en partikelstråle går igenom magneten. Foto: Staffan Claesson

Supraledande magneter spås bli allt vanligare, dels inom forskning men också inom industrin och för medicinska tillämpningar. Supraledande magneter är också mer energisnåla än andra elektromagneter, bland annat på grund av det nästan inte finns några värmeförluster på grund av de supraledande egenskaperna. 

Den supraledande kabeln fästs i frästa spår 

Den supraledande magneten som ska tillverkas är av en typ som kallas Canted Cosine-Theta-magnet (CCT-magnet). Det som skiljer CCT-magneten från traditionella supraledande magneter är hur kabeln, som ska bestå av niobiumtitan, lindas. 

– Magnetens stomme har urfrästa spår som man kan linda kabeln i. Man lindar kabeln som en skjuvad solenoid. En kabel åt ena hållet, och sen lindar man en till lutad åt andra hållet. Tillsammans ger dessa ett magnetfält som blir ett perfekt dipolfält. Tack vare stommen kan man få ledaren att ligga still med hög precision, säger Mikael Vieweg som är vd på Scanditronix Magnet, ett av företagen som ska hjälpa till med att tillverka magneterna.

Den vertikala kryostaten sträcker sig fem meter ner i marken. Foto: Staffan Claesson

CCT-magneten har fått sitt namn på grund av att dess tvärsnitt påminner om den trigonometriska funktionen cosinus.  

– Om man tar röret och skär det vinkelrätt mot längdriktningen så kan man se att ledarnas fördelning över tvärsnittet, den cirkel som bildas, kan beskrivas enligt cosinus av vinkeln theta, säger Maja Olvegård som är projektledare och forskare vid Uppsala universitet.  

Magneten måste kylas till 2 kelvin

Under forskningsprojektet kommer magneterna att kylas och testas i Freia-laboratoriet på Uppsala universitet. Här finns det en fem meter djup vertikal kryostat, vilket kan liknas vid en väldigt stor metalltermos som sträcker sig ner i marken. När magneten är nere i kryostaten ska magnetfältet skapas.

– Det är ganska kraftiga strömmar man behöver använda för att excitera magnetfältet, så det är mycket tjocka kablar och hög spänning kring kryostaten, säger Maja Olvegård.

Att testa en magnet kommer att ta ungefär en månad, och den krävande processen börjar med att magneten hängs upp i en stor insats av metall som sedan sänks ner i kryostaten.

Helium produceras på plats på FREIA-laboratoriet och förvaras i en stor vit tank. Foto: Staffan Claesson

Sedan täcks allting med flytande helium för att kyla ner det supraledande materialet. Flytande helium tillverkas på plats vid Freia-laboratoriet, det helium som produceras är dock två grader för varmt. Heliumet är fyra kelvin, -269,15 grader Celsius.

– Det duger inte. Vi behöver få det till två kelvin, och för det krävs ytterligare en väldigt komplicerad process. Niobiumtitan har en kritisk temperatur på cirka tio kelvin men vi använder två kelvin för att få extra marginal, säger Maja Olvegård. 

När magneten ska användas vid partikelacceleratorer måste det vara ett vakuum inuti magnetens stomme. Det är för att partikelstrålarna fritt ska kunna passera igenom magneterna. Då kyls magneterna från utsidan, vilket i de första testerna för prototypen inte är lika viktigt. 

Den sjudelade kabeln kan ställa till med problem

Om kabelns temperatur under användning stiger över den kritiska temperaturer så uppstår en så kallad quench, vilket innebär att det supraledande materialet helt plötsligt blir normalledande. Kabeln får då elektrisk resistans vilket gör att det snabbt skapas värme. För att undvika kortslutning på grund av smälta isoleringar måste värmen då snabbt ledas bort. 

Kabeln i den magneten som utvecklas i projektet har en ny design som gör att den använder lägre ström jämfört med en standardkabel, men den kan komma att orsaka extra svårigheter vid en eventuell quench. 

– Kabeln består av sju ledare lindade i ett rep. Detta för att få ett kraftigare magnetfält med lägre ström. Men att kabeln är som ett rep gör att quench-propageringen blir lite långsammare för den ledare som är i mitten. Där måste värmen först ledas till de närliggande ledarna, säger Maja Olvegård.

Magneten ska hängas upp i en stor insats för att kunna sänkas ner i kryostaten. På bilden syns ett plastskydd som också sänks ner för att förhindra att kryostaten förorenas. Foto: Staffan Claesson

En quench kan också uppstå om en för hög ström går igenom kabeln eller om ett för högt magnetfält genereras. Detta gör att man behöver ha precis rätt strömstyrka för att inte skapa ett för starkt magnetfält som bryter ner de supraledande egenskaperna. 

För att kabeln ska kunna bli strömförande behöver också elektroniken ordnas på ett säkert och effektivt sätt. De sju ledarna i kabeln måste bland annat kopplas ihop i serie för att magneten ska fungera korrekt. 

– Det tog väldigt lång tid med modelleringen av skarvdosan, det är där alla sladdar ska komma ut ur magneten och monteras, säger Izudin Dugic som är vice projektledare och docent vid Linnéuniversitetet.

De första testerna ska snart utvärderas

Magneterna kommer att vara en meter långa och femtio centimeter breda. Stommen i magneten ska vara av aluminium som ska ytbehandlas genom anodisering. Ytbehandlingen bildar en elektriskt isolerande yta mellan stommen och den supraledande kabeln. Än så länge har det dock bara gjorts tester på en liten testbit och inte på en fullvärdig prototyp.

– Testbiten har genomgått en liknande process som magneten kommer att göra, men under mycket tuffare förhållanden. I veckan gjorde vi tester där vi kylde den i flytande kväve, minus 196 grader, och sedan värmde vi den i en ugn till 50 grader. Detta gjorde vi i tio cykler, säger Izudin Dugic.

Izudin Dugic, vice projektledare och docent vid Linnéuniversitetet. Foto: Staffan Claesson

Det har ännu inte kommit några resultat från de första testerna. Men det är möjligt att testbiten blev skadad av den hårda behandlingen.

– Nu ska biten kapas och undersökas med mikroskop för att utvärderas. Det hördes lite ljud vid kylningen så man kan förvänta sig lite sprickor, säger Izudin Dugic. 

Den första fulländade prototypen kommer förhoppningsvis att vara färdig för att testas under våren 2022. Då återstår att se om magneten uppnår de höga krav som många av de potentiella köparna ställer.

Cern är en av projektets tänkta kunder

Bland de potentiella kunderna finns bland annat den stora partikelacceleratorn LHC vid Cern som inom kort kommer att behöva uppgradera några av sina magneter. 

– Om några år kommer Cern att behöva byta ut några magneter i LHC då de existerande håller på att dö på grund av strålning. Då finns det olika alternativ, dels att använda samma gamla hederliga magneter eller, så som vissa vill, testa den här nya CCT-tekniken. Vi har utgått från den magnet som vi vet kommer att behöva bytas ut och tänker försöka bygga en CCT-magnet med samma specifikationer. Men det är viktigt att poängtera att det här inte är ett uppdrag från Cern, säger Maja Olvegård.

Mikael Vieweg, VD på Scanditronix Magnet AB. Foto: Staffan Claesson

CCT-magneterna kan även komma att användas inom andra områden, bland annat för att behandla cancer med strålbehandling. Här används magneterna för att styra strålar av joner mot tumörer. 

– För bestrålning av tumörer med tunga partiklar använder man i dag normalledande teknik. Det gör att anläggningarna blir väldigt stora och tunga. Där skulle den här tekniken vara ett intressant alternativ för att minska storleken på anläggningarna och göra det billigare, säger Mikael Vieweg. 

Kort fakta

Projektet heter Kompetens- och teknikspridning om kalla magneter för tillgång till en breddad internationell marknad och är ett samarbete mellan Uppsala universitet, Linnéuniversitetet, Scanditronix Magnet AB, Ryd-Verken AB och Vattenskärningsteknik i Vislanda AB.

Scanditronix Magnet AB kommer att linda och montera magneterna. Ryd-Verken AB kommer bland annat att fräsa ur spåren som den supraledande kabeln ska lindas i. Vattenskärningsteknik i Vislanda AB kommer att använda vattenskärning för att skära ut vissa delar som behövs till magneterna.

Bill Burrau

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt