Imanes de Superconducción

Los superconductores de Tipo II tales como el niobio-estaño y el niobio-titanio se usan para hacer los cables de las bobinas para los imanes de superconducción. Estos dos materiales se pueden fabricar en cables y pueden soportar altos campos magnéticos. La construcción típica de las bobinas es incrustar un gran número de filamentos finos (20 micrómetros de diámetro) en una matriz de cobre. El cobre sólido proporciona estabilidad mecánica y proporciona un camino para las grandes corrientes en caso de que se pierda el estado superconductor. Estos imanes superconductores deben ser enfriados con helio líquido. Los imanes de superconducción pueden utilizar geometrías de solenóides tal como los electroimanes ordinarios.

La mayoría de los aceleradores de alta energía usan hoy dia imanes superconductores. El acelerador de protón en el Fermilab usa 774 imanes superconductores en un anillo de 6,2 kilómetros de circunferencia. También encuentran una amplia aplicación, en la construcción de aparatos de imágen por resonancia magnética (MRI) en el ámbito de la medicina.

Superconductor de Niobio-Titanio

El niobio-titanio es un superconductor de Tipo-II con una temperatura crítica de 10ºK, y un campo magnético crítico de 15 Teslas. Aunque ambos de estos valores son inferiores a los del niobio-estaño, este material se ha convertido en el material de elección para imanes superconductores debido a sus propiedades mecánicas.

Para hacer cables de bobinas de imán, el niobio-titanio se fabrica en filamentos mas finos que el cabello humano y embebidos en una matriz de cobre sólido. Los filamentos finos son ventajosos porque la corriente fluye sólo a la profundidad de piel de la superficie de un superconductor. El cobre sólido forma una estructura mecánica sólida que también transporta la corriente si se pierde la fase superconductora.

Cámara de Burbuja de Argonne

Como un ejemplo de los ahorros de energía alcanzables con los imanes superconductores, una cámara de burbujas en el Argonne National Laboratory tiene un imán de 4,8 metros de diámetro para producir un campo magnético de 1,8 Teslas. Una vez establecido el campo magnético, sólo es necesario alrededor de 190 kW para mantener la refrigeración del helio líquido.

Esta bobina de imán está hecha de aleación de niobio-titanio embebida en cobre. El costo de construcción de esta bobina fue aproximadamente el mismo que para un imán convencional, pero tiene una ventaja de coste operativo de 10:01.

Superimanes del Fermilab

En el Fermilab, se incrementó la energía de la partícula última mediante el uso de imanes superconductores y se redujeron considerablemente los gastos de explotación. Desarrollaron imanes tubulares de 7 metros de largo que generan un campo de 4,5 Teslas. Alrededor del anillo del acelerador de 6,2 kilometros de circunferencia hay 774 de estos imanes, con 240 imanes adicionales, utilizados para enfocar el haz de partículas.

Las partículas se aceleran primero en un anillo de imanes convencionales y luego se inyectan en el anillo de imanes superconductores llamado el Tevatron, para la etapa final de aceleración a aproximadamente un millón de MeV.

Superconductores en Imágenes NMR

Los imanes superconductores encuentran aplicación en la imagen por resonancia magnética (MRI) del cuerpo humano. Además de requerir fuertes campos magnéticos -en el orden de un Tesla-, la imagen por resonancia magnética requiere campos extremadamente uniformes a través del sujeto, y extrema estabilidad con el tiempo. El mantenimiento de las bobinas de los imanes en el estado superconductor, ayuda a conseguir una uniformidad espacial de partes por millón, sobre un espacio suficientemente grande para contener una persona, y también conseguir la estabilidad de ppm/hora con el tiempo.