Physik am Samstag€¦ · 1 Tesla = 1 T = 10 000 Gauß Einheit der magnetischen Flussdichte Erde: 0,000 04 T = 0,4 G Was sind 100 Tesla? Hochfeld-Magnetlabor Dresden (HLD) yJochen

Hochfeld-Magnetlabor Dresden (HLD) Jochen Wosnitza www.fzd.de Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft

Die Jagd nach dem FeldrekordForschung in hohen Magnetfeldern

Jochen Wosnitza

Physik am Samstag

Hochfeld-Magnetlabor Dresden (HLD) Jochen Wosnitza www.fzd.de 13.12.2008

Ziel des HLD: 100 Tesla

Was sind 100 Tesla?

[ täss’la ]



Was sind 100 Tesla?

x 2



Paris 1956Generalkonferenz für Maße und Gewichte

1 Tesla = 1 T = 1 Wb/m2 = 1 Vs/m2

Einheit der magnetischen Flussdichte

Erde: 0,000 04 T

Was sind 100 Tesla?



Paris 1956Generalkonferenz für Maße und Gewichte

1 Tesla = 1 T = 10 000 Gauß

Einheit der magnetischen Flussdichte

Erde: 0,000 04 T = 0,4 G

Was sind 100 Tesla?


Inhalt

• Wo findet man Magnetfelder?

• Wie erzeugt man Magnetfelder?

• Wofür braucht man Magnetfelder?

10 6 TMagnetfelder

in der Natur

10 - 15 T

10 - 12 T

10 - 9 T

10 - 6 T

10 - 3 T

1 T

10 3 T

10 9 T

BiologischeMagnetfelder

Feld in Galaxien

Interne Fellder in Magneten

~ 108 T

Neutronenstern

Erdmagnetfeld20 ... 50 µT

Technische Streufelder „urban noise“

OberflOberflääche che von Magnetenvon Magneten


Die stärksten Magnetfelder in der Natur

Neutronensternkollision (1011 T nach 11 ms)

Magnetfeld-

Erzeugung

1 mT

10 mT

100 mT

1 T

10 T

100 T

1000 T

10 000 T

einfacheLaborspulen

bis zu ~ 2 Tmit Eisenjoch

supraleitende Spulenbis zu ~ 20 T

20 T @ HLD Kernspintomograph

statischHybridspulen bis ~ 45 T

resistive„Bitter“-Spulen bis zu ~ 33 T

rein resistiv

20 MW nötig für 33 T

gepulste Felder


Weltweiter Wettbewerb

Pulsmagnete[ms ... s]

Hybride bzw.ResistiveDauermagnete

Supraleitende Dauermagnete10

20

30

40

50

60

70

80

B [T ]

0

100

Flusskompressionsspulen[µs]

90

100 T: Das Ziel in drei LaborsLos Alamos, Dresden, Tokyo

Die Herausforderung:100 T quasi-statischfür 0,01 … 1 s


Pulsfelderzeugung

Halb-destruktiv:Zerstörung einer Einwindungsspule

für Mikrosekunden


Die ultimative Feldstärke für µs

Flusskompression durch Sprengung ⇒ 2800 T


Am HLD zerstörungsfrei bis ~100 T

Quasi-statische gepulste Feldervon 0,01 bis 1 Sekunde:genügend Zeit für Messungen

0.00 0.05 0.10 0.15 0.200

10

20

30

40

50

60

70

80

Magnet A

Magnet D

B (T

)

Time (s)

Magnet B


Der 100 T-MagnetHLD100: >90 T / 10 ms / 20 mm

• 60 T / 1000 ms / 40 mmkurz vor ersten Tests

• 90 T / 10 ms / 20 mmbei „nur“ 9,5 MJ Energie

... 0.00 0.05 0.10 0.150

20

40

60

80

B (T

)

t (s)


Technische Herausforderung

4 GPa bei 100 T!

Lorentz-Kraft:

qB

Magnetischer Druck:v

F = q v × B

P = B2

2µ0


Kräfte bändigen

Bestes Drahtmaterialreißt bei etwa1 GigaPascal (10 000 bar)

Verstärkung jeder Drahtlagemit isolierender Spezialfaser:Zylon® hält ~5 GigaPascal aus


Wie füttert man die Spulen? Methode 1

100 T-Magnet (9 Tonnen)Feldrekord: ~89 T

GleichrichterSchwungradgenerator 1 GW24 kV34 kA1800 rpm


Wie füttert man die Spulen? Methode 2

Preparation andcontrol D, E

E60 T30 ms

D65 T20 ms

Magnet A 55 T50 ms

B 70 T150 ms

C 100 T10 ms

Control

Seminar Capacitive Power Supply

Optics/FEL

16 T

52 m

He recoveryLogistics

Office

OfficeSuperconducting magnets and low-temp. cryostats

20 T

ESR 10 mK

20 T0.3 K

15 TSdH15 T

dHvA

14 TPPMS

7 TMPMS

14 TPPMS

7 TMPMS

14 T20 mK

R, M, χ, ... C, κ, ...

FEL/FIR beam

Emax = 50 MJ, Umax = 24 kV, Imax = 500 kA, Pmax = 5 GW

Weltweit größte Kondensatorbank

22. Februar 2006

Offizielle Eröffnung


Was sind 50 MegaJoule Energie?

60 Tonnenbei150 km/h

2,2 kgSchokolade


Was sind 5 GigaWatt Leistung?

Leistung einesstarkenRaketenantriebs


Wat kost dat?

Kosten für einevolle 50 MJ-Ladung(Aufladung mit~0,6 MW in 90 s)

ca. 2 Euro


Ein Puls im HLD

Deutschlandfunk vom 10.7.2006

0 10 20 300

10

20

30

40

50

60

70Bmax = 65.5 T KS2a

B(T

)

t(ms)

Preparation andcontrol D, E

E65 T20 ms

D65 T20 ms

B70 T150 ms

C 100 T10 ms

Optics/FEL R, M, χ, ... C, κ, ...

FEL/FIR beam

Magnet A55 T50 ms


www.soundhorses.com

Wozu hohe Magnetfelder?


Wissenschaftliche Motivation

• Einzigartige Möglichkeiten

• Fundamentale Eigenschaften

• Materialwissenschaften

• Anwendungen


IR-Spektroskopie mit FELBEELBEHLD

Zyklotron-Resonanz ESR bei 1,3 THz


Verbesserung der Auflösung• MR-Tomographie bei 1,5 T

Erstes ~2 GHz Proton-NMR-Experiment von J. Haase

• NMR in gepulsten Feldern


Beispiel: Supraleitung• In 2008 neue Klasse von

Supraleitern entdecktLOFA

LaO1-xFxFeAs


Spin off

Kooperationen mit Firmen undFraunhofer-Institut

Elektromagnetische Pulsformung


Resümee• Die Kunst der Spulenmanufaktur

• Das Nutzerlabor HLD

• Materialforschung


Danke an die Crew ...

... und für die Aufmerksamkeitwww.fzd.de/hld

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Physik am Samstag€¦ · 1 Tesla = 1 T = 10 000 Gauß Einheit der magnetischen Flussdichte Erde: 0,000 04 T = 0,4 G Was sind 100 Tesla? Hochfeld-Magnetlabor Dresden (HLD) yJochen