TFD UPHDYOXIII Ulusal Parack Hzlandrclar ve Dedektrleri Yaz

TFD - UPHDYO-XIII Ulusal Parçacık Hızlandırıcıları ve Dedektörleri Yaz Okulu Hızlandırıcı Magnetleri Dr. Melike KAYA Ankara Üniversitei Hızlandırıcı Teknolojileri Enstitüsü melike. kaya@tarla. org. tr July 8 -13, 2019

Magnetler hayatımızda gerçekten önemli mi? Bu nedir?

İçerik Giriş Manyetizmanın temelleri ile ilgili hatırlatmalar Demet optiğinin tanımı Manyetik alanda parçacık davranışı Elektromagnetler • Dipol Magnetler • Quadrupole Magnetler • Sextupole Magnetler Kalıcı mıknatıslar Süperiletken mıknatıslar

Giriş • Modern teknolojik cihazların önemli bir kısmı manyetik malzemeler ile çalışmaktadır. • Elektrik güç jeneratörleri, transformatörler, elektrik motorları, radyo, televizyon, bilgisayar, ses ve görüntü sistemleri, kayıt cihazları…. • Demir, bazı çelikler, Kobalt, Nikel, Gadolinyum vb. malzemeler manyetik özellik göstermektedirler. • Doğadaki tüm malzemeler manyetik alandan az veya çok etkilenirler.

Elektromagnetler / Temel Tanımlar

Manyetik momentlerin kaynağı Malzemelerin manyetik özellikleri elektronların manyetik momentlerinin sonucudur! Serbest bir atomun manyetik momentinin 3 temel kaynağı: q Elektronun spini q Elektronun çekirdek etrafındaki yörüngesel açısal momentumu q Uygulanan manyetik alanla oluşan yörüngesel moment Manyetik momentler elektron Çekirdek spin

Manyetik alanın tanımı • Manyetik alan çizgileri hem yönü hem de büyüklüğü göstermektedir. • Hareket eden elektrik yüklü parçacıklar manyetik kuvvete yol açarlar. • Manyetik kuvvetler manyetik alanı oluşturur. • Manyetik malzemelerde manyetik dipoller bulunur. • Manyetik alan kuvveti bu dipolleri alanla birlikte yönlendirmek için bir kuvvet uygular.

B = manyetik akı yoğunluğu (T) H = manyetik alan (Am-1) M = mıknatıslanma (birim hacim başına manyetik dipol moment, Am-1) B = μ 0 (H + M) B = μ 0 μr H = μ 0 H (1 + χ) bağıl alınganlık geçirgenlik Alan ile orantılı değişen malzemeler için Alan ile orantılı değişmeyen malzemeler için

Manyetik Birimler ve Dönüşüm faktörleri (SI ve cgs-emu türünden)

Manyetizma sınavlarında sorulan en temel problem/ Bohr magnetonu Sistem Değer birim SI 9. 274 x 10 -24 J. T-1 cgs 9. 274 x 10 -21 erg. G-1 e. V 5. 788 x 10 -5 e. V. T-1

Manyetik kuvvet altında hareket • Bir parçacık manyetik alan etkisinde hareket ettiğinde, hıza dik olacak şekilde bir kuvvet meydana gelir. • Kuvvet hıza dik olduğunda, yüklü parçacık hıza dik bir ivmelenmeye (hızlanmaya) maruz kalır. • Hızın büyüklüğü değişmez ancak dairesel hareket gereği yönü değişir. • Manyetik kuvvet parçacık üzerinde iş yapmaz.

Hareketli bir yük üzerindeki F manyetik kuvveti, V hızına daima diktir. Böylece, B manyetik alanında hareket eden yük, merkezcil kuvvete maruz kalmaktadır.

Bir Parçacık Hızlandırıcı Nedir ? § Yüklü parçacıkları elektrik alanlar kullanarak ve manyetik alan ile yönlendirerek çok yüksek hızlara (relativistik hızlar) çıkaran herhangi bir cihaz aslında bir parçacık hızlandırıcıdır. § Günümüzde birçok kullanım alanı bulunan parçacık hızlandırıcılar günlük yaşamımızda da bir yere sahiptirler.

Önemli formüller B alanı varlığında, akım yoğunluğu j taşıyan bir iletken elemanın kuvvet yoğunluğu Belirli bir hacim üzerinden elde edilen toplam güç B alanı varlığında manyetik malzemelerin (μr = 1) bulunmadığı bir bölgede depolanan manyetik enerji yoğunluğu Toplam enerji U tüm uzay üzerienden, bobin hacmi üzerinden integrasyon ile veya mıknatısın indüktansı L üzerinden:

<Temel> mıknatıs 0, 4 Gauss (4. 10 -5 T) Kalıcı mıknatıs (Nd. Fe. B, 0. 5 T) Elektromagnet (2 T) MRI mıknatıs (Siemens 3 T) VNIIEF MC-1 (Russia) 2. 8 k. T ISSP (Japan) (750 T) Los Alamos Ulusal Lab. (100 T) Bruker 1 GHz NMR (23, 5 T ) LHC Dipol magnet (8, 3 T)

Neredeyse her evde olan ve soğutma işlemi yapan <nesne>? ? 1976 -Gd kullanılarak; 270 K ile 310 K arasında

Bir Parçacık Hızlandırıcı İçin Gerçekten Önemli mi? The ZEPTO project: Tuneable permanent magnets for the next generation of high energy accelerators

Hızlandırıcılarda Kullanılan Magnetler ü Demete eğim verme veya yönlendirme—Dipol magnet ü Demeti odaklama (yüksek enerjili)—Quadrupole magnet ü Demet düzeltme—Sextupole ve daha yüksek magnetler ü Demet odaklama (düşük enerjili)– Solenoid magnet ü Yüklü parçacıkların sinkrotron ışınımı, FEL vb. oluşturabilmesi—Wiggler, Undulator magnetler Kilit nokta manyetik alanın istenen her noktada aynı olması + Doğru alanın doğru yerde oluşturulması!!!

Optik-Odaklama Dipol sabit manyetik alan yaratarak demete eğim kazandırabilir, fakat demet nasıl odaklanır? x θ -Odaklama yapılmadığı taktirde demet «ayrışır» . f Optik bir tasarımda, ışık hüzmesinin lensten geçtiğini düşünelim: «Lensten geçen ışın f odak noktasına düşer, odaklanma açısı x’e bağlıdır» . Daha uzak eksen, daha güçlü odaklama!

Magnet-Odaklama x Manyetik lens; P momentumu ile demete Δp kadar enine momentum kazandırır. p x θ Δp z x ile lineer olarak artan bir alan için, elde edilen Δp değeri de x ile lineer olarak artmaktadır. y BY Lorentz eşitliği düşünüldüğünde, odak uzaklığı ve odaklama gücü k; L

Magnetler-Odaklama

Dipol Magnetler • Dipol magnet, belirli bir mesafe boyunca homojen bir manyetik alan yaratmak için kullanılmaktadır. • Aynı düzlemde birkaç dipol kesitinin eklenmesiyle, radyal eğim arttırılabilir. ARGONNE ANKA

Quadrupole Magnetler Quadrupole magnet, doğrusal bir alan değişimi yaratmak için kullanılır. Alan "manyetik merkezde" sıfırdır ve böylece eksende demet bükülmez. ESRF

Sextupole Magnetler • Sextupole magnetlerde alan, yer değiştirmenin karesi ile değişir. • Bir eksen etrafında düzenlenmiş alternatif kuzey ve güney kutuplarının düzeninde belirlenen altı manyetik kutup içerir. • Kromatik anormalliklerin kontrolü için kullanılırlar. Australian Synchrotron

• Mıknatıs bobinlerinin tasarımında yapılan seçimlerden biri, akım yoğunluğunu belirleyen bobin kesitidir. • Mıknatısın gerekli fiziki parametreleri göz önünde bulundurulduğunda, akım yoğunluğunun seçimi mıknatısın gücünü belirlemektedir. • Gücün ne olacağını belirlemek neden önemli? güç dağıtımı (kablolar), işletme maliyetlerini ve soğutma sistemlerinin kurulum/işletme maliyetlerini etkilemektedir.

AWG (tip) Çap (mm) Max. Akım (A) Max. Akım Yoğunluğu (A/mm 2) 1 7. 348 119 2. 81 2 6. 543 94 2. 80 3 5. 827 75 2. 81 | | 39 0. 089 0. 0175 2. 77 40 0. 079 0. 0137 2. 73 Uygun soğutma yapıldığı taktirde ~ 10 A/mm 2 Boş iletken

Enerji kayıpları Eddy (Foucult) kayıpları olarak da adlandırılan girdap akım kayıpları, alternatif akım ya da zamanla değişen alanların söz konusu olduğu durumlarda malzemede ya da çekirdekte ortaya çıkan ısı (Joule) kayıplarıdır. Faraday yasasına göre zamanla değişken bir alan içinde bulunan iletkenlerde bir gerilim indüklenir. Aynı şekilde ferromanyetik malzemelerin moleküllerinde de bir gerilim indüklenir. İndüklenen gerilimler sonucunda oluşan akım moleküller arasında çevrimini tamamlamaya çalışır ve malzeme, bir çok kısa devre oluşmuş sargı gibi davranır. Girdap akımları, manyetik alanın frekansı yanında malzeme cinsi, yapısı ve boyutlarına bağlıdır.

Ph = K h f B x 1. 5<x<2. 5 Pe = Ke (t f B)2 Ph = histeresis kaybı (W/k. G) Kh = histeresis sabiti f = frekans (Hz) B = akı-yoğunluğu (T) Pe = eddy akım kaybı (W/k. G) Ke = eddy akım sabiti T = malzemenin kalınlığı (mm)

Bobin için temel parametreler ve Güç Bobinin iç uzunluğu magnet kutbundan biraz daha uzundur Bobinin kesit alanı, A Bobinin içi magnet kutbundan biraz daha geniştir. Ortalama sarım uzunluğu ρ=özdirenç (Ωm) L=iletken uzunluğu (m) A= iletkenin net kesit alanı (m 2) f: bobin paketleme kesiri (iletken alanın bakır telden oluşan bobinin brüt alanına oranı).

Bobin geometrisi Genellikle dizayn su soğutmalı dikdörtgen Cu (veya Al) iletken içermektedir. Yalıtım ise cam kumaş ve epoxy ile sağlanmaktadır. Sarım sayısına (NI) karar verilirken, Cu’nun toplam alanı ve sarım sayısı dikkatli ele alınmalıdır (iki serbestlik dereceli oldukları için). Bobinde oluşan ısı akım yoğunluğunun RMS değerinin bir fonksiyonudur: Optimum jrms değerini ekonomik kriter belirler.

Irms değeri akımın dalga formuna bağlıdır: Bobinde oluşan ısı Bir DC magnette Sin dalgası için Düşük jrms değerinin avantajı: az güç kaybı, (faturaya yansıyan miktarda azalma), daha az ısı kaybı Yüksek jrms değerinin avantajı: : daha küçük bobinler, Daha küçük magnetler

Magnet geometrisi Dipol magnetler «C» , «H» veya «pencere çerçevesi» şeklinde olabilir. «C» Avantaj: Kolay erişim; Klasik dizayn Dezavantaj: Kutupları düzgün yerleştirebilmek için ince metal plakalar (pole shim) gerekmektedir; simetrik değil «pencere çerçevesi» «H» Avantaj: Simetrik, Daha stabil (yapı olarak) Avantaj: Yüksek kalitede manyetik alan, Dezavantaj: Pole shim gerekmektedir, erişim pole shim ihtiyacı yok; simetrik ve sert yapı Dezavantaj: Erişim problemi büyük, yalıtım zor kalınlığını elde etmek zor

Sarım sayısına karar verme N sayısı büyük (düşük akım) Küçük terminaller İnce bağlantılar-düşük maliyet esneklik N sayısı küçük (yüksek akım) Büyük, hantal terminaller ve Kalın ve pahalı bağlantılar Bobin içinde daha fazla yalıtım; daha Bobinde yüksek bakır oranı; ulaşılabilir geniş hacim bunun sonucunda artan alanlarda daha etkin kullanım montaj maliyeti Yüksek voltaj power supply güvenlik Yüksek akım power supply, daha fazla problemleri kayıp

Elektromıknatıs kullanılacaksa—Parametreler? Magnetin fonksiyonel özellikleri -Demetin enerjisi ve ne çeşit parçacıklar için tasarlandığı? -Magnetin tipi: C-tipi dipol , H-tipi dipol, Quadrupole…. ? -Demet aperture boyutları? -Magnetin merkezinde gerekli manyetik alan değeri? -Manyetik alan kalitesi? -Demeti bükmek için gereken açı? Magnetin üretim özellikleri -Magnetin fiziksel aperture boyutları -Demet hattının boyutları -Magnetin toplam uzunluğu -Magnetin yeri ve toplam ağırlığı -Magnetin ürettiği manyetik alanın pik değeri veya manyetik alan değişimi -Magnetin nasıl soğutulacağı? -Soğutma sistemi parametreleri? Güç kaynağının parametreleri: pik akımı ve gerilim, AC? atmalı? -Işıma (radyasyon) düzeyi? - Kaç magnet kullanılacağı?

ü Geleneksel elektromagnetler birçok hızlandırıcı merkezinde kullanılmaktadır. ü Çok yüksek radyasyon alanlarında çalışabildikleri ve hızlı değişimli atmalı alanlara dayanıklı oldukları için süper iletken mıknatıslara göre tercih edilmektedirler. ü Bazı hızlandırıcılarda seri olarak birbirlerin bağlı yüzlerce hatta binlerce dipol ve quadrupole magnet bulunmaktadır. ü Kullanılan magnet tipini ve sayısını «işletme maliyeti» belirler. Bobin Iron yoke

Kalıcı Mıknatıslar

Periyodik Tablo-Manyetizma Açısından

Diamanyetizma? Paramanyetik Ferromanyetik Antiferromanyetik Ferrimanyetik Bir iletim devresi olarak düşünülebilir. Malzeme manyetik alanın yanına getirildiğinde, metaldeki serbest e-lar harekete geçer. Lenz kanununa göre, uygulanan manyetik alanla zıt yönde bir indükleme akımı oluşur. <<sıfır manyetik momente sahip bir atomda, dışardan uygulanan manyetik alan, kendisi ile zıt yönde bir manyetik moment oluşturur. >>

Kalıcı mıknatıslar 1. Kapatılamaz. 2. Zamanla özeliklerinde zayıflama gözlenir. 3. Kutup yönleri değiştirilemez. 4. Dünya kalıcı mıknatıstır. 5. Dış enerjiye ihtiyaç duymazlar. 6. 2000 yıl önce keşfedilmişlerdir. 7. Doğada bulunmakla birlikte laboratuvar ortamında da üretilebilmektedirler. Elektromagnetler 1. Manyetik alan çizgilerine sahiptirler. 2. Her ikisi de iki kutupludur ve her ikisinden de pusula yapılabilir. 3. Her ikisi de itme-çekme özelliğine sahiptir. 4. Her ikisinde de Fe, Ni, Nd, Sm vb. malzemeler kullanılabilir. 1. Kapatılabilirler. 2. Zamanla özelikleri daha da güçlendirilebilir. 3. Kutup yönleri değiştirilebilir. 4. Elektrik enerjisi hareket enerjisine dönüştürülebilir. 5. Elektrik enerjisine ihtiyaç duyarlar. 6. 1820’de keşfedilmiştir. 7. Laboratuvar ortamında üretilmektedirler.

«Temel» Sıcaklık malzemelerin manyetik özelliklerini etkilemektedir. Bir katı maddenin sıcaklığının yükseltilmesi, atomların ısısal titreşimlerinin büyüklüğünde bir artışa neden olur. Artan sıcaklıkla, doyum mıknatıslanması bir değerden sonra kademeli olarak azalır ve daha sonra Curie sıcaklığı Tc olarak adlandırılan değerde aniden sıfıra düşer. Fe: TC= 1043 K (770 ˚C) Ni: TC= 627 K (354 ˚C) Co: TC= 1338 K (1115 ˚C)

Manyetik malzemeler temel beş kategori altında sınıflandırılabilir: Bir atomda her enerji düzeyinde en fazla iki elektron bulunur ve bunların spinleri zıt • Ferromanyetik yönlü olmalıdır. Böylece her dönen elektron düşük kapasiteli bir mıknatıs gibi • Ferrimanyetik davranır. Çünkü elektronun kendi ekseni etrafında dönmesinden dolayı bir manyetik • Antiferromanyetik momenti vardır. Bu manyetik moment maddenin manyetik özelliğini belirlemektedir. • Paramanyetik • Diamanyetik Genel olarak, çift sayıda elektronu olan bir elementte, +1/2 spine sahip elektron sayısı kadar, -1/2 spine sahip elektron bulunduğundan µ+ ≡ µ- olduğundan toplam manyetik moment sıfırdır ve bu malzemede manyetik özellik gözlenmez. Değerlik elektronları tam dolu değil ise µ+ ≠ µNet bir manyetik moment Ferromanyetizma

Nasıl ayırt edebiliriz? χ magn etic ( μ>>μ 0) H Ferro Mıknatıslanma M PM tic e gn ( > μ> μ ) 0 FM H a im r r e AFM F Paramagnetic (μ>μ 0) H Diamagnet μ 0 H ic ( μ < μ ) 0 H TN TC T

q. Bir atomun dolu tabakalarındaki elektronların, atomun manyetik momentine katkıları sıfırdır. qmanyetik momentinin kaynağı dolu olmayan tabakalardaki elektronlarla çiftlenmemiş elektronlardır. q. En güçlü atomik manyetik momentler, geçiş elementlerinin atomlarında gözlenmiştir. Çünkü bu atomların dış kabuklarında dolu olmayan tabakalar vardır.

Serbest atomlar vs. katıların elektronik yapısı Yoğun madde fiziğinde; DOS yoğunluğu, işgal edilecek her bir enerji seviyesinde enerji aralığı başına durum sayıdır. ü Serbest atomlar birbirlerinden çok uzaktadırlar. ü Elektronlar tanımlı belirli enerji seviyelerini kullanırlar -Pauli dışarlama ilkesi = Enerji seviyesi başına 2 elektron ü Atomlar birbirlerine yaklaştıkça- elektron bulutları üste biner (katılarda) ü Enerji seviyeleri, her enerji seviyesinde 4 elektron olacak şekilde yarılırlar. B. D. Cullity. “Introduction to Magnetic Materials” Wiley.

Serbest atomlar vs. katıların elektronik yapısı ü Geçiş elementlerinde, en çok 3 d ve 4 s seviyeleri çekirdekten uzaktadırlar. ü Daha düşük düzeyler (2 p, 2 s, 1 s) çekirdeğe daha yakın olduğundan daha az yarılırlar. ü Daha fazla elektron = daha fazla yarılma!! ü Bu düzeyler, bir enerji bandına yakınlaştırılabilmeleri için çok yakın aralıklıdır. ü Elektronlar delokalize olur (gezgin-itenerant) B. D. Cullity. “Introduction to Magnetic Materials” Wiley.

Serbest atomlar vs. katıların elektronik yapısı § 1 mg Fe yaklaşık 1019 atom içerir. § Pauli dışarlama ilkesi, serbest atomdaki her bir ayrı enerji seviyesinin mutlaka katıda 1019 seviyesine bölünmesi gerektiğini gerektirir. N (E) - belirli bir enerjide enerji seviyelerinin yoğunluğunu tanımlar N (E)d. E ve E + d. E enerji seviyeleri arasındaki mevcut enerji seviyelerinin sayısıdır. B. D. Cullity. “Introduction to Magnetic Materials” Wiley.

• 3 d bandı çok daha büyük bir yoğunluğa sahiptir, çünkü her bir atom başına beş elektron seviyesi vardır ve her biri 10 elektron kapasitesilidir. Oysa 4 s düzeyinde 2 elektron bulunmaktadır. • Eğri altındaki alan, bir banttaki toplam mevcut enerji seviyesine eşittir. • Fermi seviyesi en üst düzeyde doldurulmuş enerji seviyesini gösterir. B. D. Cullity. “Introduction to Magnetic Materials” Wiley.

3 d bandının iki kısma ayrıldığını (spin up / spin down) ve oluşan bu iki bandın, birbirine bağlı iki su tankı olduğunu düşünürsek, • Fermi enerjisi su seviyesidir • Dolu enerji bantları manyetik bir moment oluşturamaz çünkü zıt spinler birbirlerini sıfırlar. Sadece Fe, Co ve Ni tüm gereksinimleri karşılar RE-elementleri, 4 f bandında spin dengesizliğinden dolayı «kendiliğinden» (spontaneous) manyetizasyona sahiptir.

Kalıcı mıknatıslar Sm 1 Co 5 (Sm. Co 1: 5) Sm 2 Co 17 (Sm. Co 2: 17)- Cu, Hf &/or Zr, sometimes Pr, and Fe. Mega. Gauss-Oersted 1 MG Oe = 7. 96 k. J/m 3

Enerji çarpanı (BH)max En yüksek çalışma sıcaklığı vs. (BH)max

Kalıcı mıknatıs nasıl yapılır?

Kalıcı mıknatıs kullanılacaksa? ? Güvenilirlik: • Elektrik arızası veya su kaçağı riski olmadığı için yüksek radyasyon alanlarındaki müdahalelerin sayısını ve zamanını azaltır. • Arıza tespiti veya izleme sistemine gerek duyulmaz. Maliyet verimliliği: • Kalıcı mıknatısa dayalı bir hızlandırıcı magnet üretimi, elektromıknatıs çözümünden genellikle daha ucuzdur (TR şartlarında geçerli değil). • Kalıcı mıknatıslar elektrik dönüştürücüleri ve elektrik kablolaması ve demineralize su kaynağı gibi harici ağlara ihtiyaç duymaz. • Mıknatısın çalışması elektrik gerekmez. Esnek tasarımlar: • Tasarımlar oldukça kompakt olabilir. • Mıknatıslar vakumlu ortama kolayca entegre edilebilir.

Örnek-CERN Temelde Sm 2 Co 17 kullanılmaktadır. Nedeni: • Yüksek BH değeri • Yüksek kalıcı mıkns. ve zorlayıcı alan değeri • Sıcaklık sabiti oldukça küçük: -0. 035%/°C • Radyasyona karşı dayanıklı. • Kaplama yapılmadan dahi paslanmaya karşı dirençli Magnet üreticilerinden beklenen önemli hususlar: • Kalıcı manyetik bir yapıda manyetik özelliklerin homojenliği (tipik olarak % 1 aralığında) • Kolay eksen yönünde çok az sapma (tipik olarak 2° 'denküçük). • İyi geometrik toleranslar.

Örnek-CERN Sm 2 Co 17 Fe-Co Non-manyetik sac (austenitic çelik 316 LN) Ti T 40, non-manyetik Magnet üretiminde püf nokta: ISIL İŞLEM Vakum «brazing» -gapasil Sm 2 Co 17 Non-manyetik sac (austenitic çelik 316 LN)

Compact and Low Consumption Magnet Design Workshop Geneva 26 -28 November 2014, Pierre-Alexandre THONET

Örnek dipol magnet işletim maliyeti verileri CERN (2014) Birim iş başına maliyet tahmini (CHF) Elektromagnet Kalıcı mıknatıs Dipol magnet üretimi 115000 100000 Power supply 30000 Eelektrik altyapısı ve demineralize su ağı 15000 Maliyet/yıl 3000 TOPLAM 205000 Compact and Low Consumption Magnet Design Workshop Geneva 26 -28 November 2014, Pierre-Alexandre THONET 100000

Dezavantajları ve dikkat edilmesi gereken unsurlar ü Kalıcı mıknatıs tasarımları sabit bir alana sahiptir ve demet enerjisinin sabit olmadığı makineler için önerilemez. Bununla birlikte, manyetik alanı (mekanik veya elektriksel olarak) uzaktan kontrol için bir takım çözümler hala araştırılmaktadır. ü Montajı tamamlanmış mıknatısın manyetik alan kalitesi ve alan değeri, kalıcı mıknatıs bloklarının kalitesi ve homojenliği ile doğrudan bağlantılı ve sınırlıdır. ü • Kontrollü ve sabit sıcaklıkta bir alana kurulmaları gerekmektedir.

Süperiletkenler

«Bazı malzemelerin düşük sıcaklıklarda direncinin sıfıra inmesi» Süperiletken durumdaki malzemeler Joule etkisiyle güç kaybı olmaksızın Heike Kamerlingh Onnes kendi not defterindeki 8 Nisan 1911 tarihli yazıda, süper iletkenliğin ilk gözlemini kaydeder. «Kwik nagenoeg nul» “Civanın direnci neredeyse sıfırdır [3 K'da]” Bir sonraki cümlesinde «Herhaald met goud» “altınla tekrarlanan” anlamına gelir Boerhaave Müzesi R (Ω) akımı aktarabilir (ideal durum). T (K)

1933’de iki Alman fizikçi Meissner ve Ochsenfeld, süperiletkenlerin manyetik alan çizgilerini ittiklerini gözlediler Meissner Olayı Kritik sıcaklığın altında malzeme manyetik alan çizgilerini iterek tam olarak içlerinden kovar ve süperiletken olur. B = μ 0 μr H = μ 0 H (1 + χ) -------B=0 ise M(H) eğrisi nasıl olur? M H

1933’de iki Alman fizikçi Meissner ve Ochsenfeld, süperiletkenlerin manyetik alan çizgilerini ittiklerini gözlediler Meissner Olayı Kritik sıcaklığın altında malzeme manyetik alan çizgilerini iterek tam olarak içlerinden kovar ve süperiletken olur. B = μ 0 (H+M) = μ 0 H (1 + χ) -------B=0 ise M(H) eğrisi nasıl olur? M H

Süperiletkenlik tipleri Tip-2 M M Tip-1 Normal SC H HC Tip 1; Hg, Al (HC= 0. 0105 T)… Tip 2; Nb-Ti, Nb 3 Sn, Re. BCo…. SC Vortex bölgesi H Normal HC

Alttan üste doğru: alkol, sıvılaştırılmış hava, sıvı ve gaz forumundaki hidrojen, sıvı ve gaz formundaki helyum Ω Hg ve Ω Au: civa ve altının direnci

Süperiletken bir mıknatıs tasarlarken amaç; ü «çok iyi» bir manyetik alan kalitesi elde etmek ve quench durumunda mıknatısın özelliğini kaybetmemesidir. Quench: Magnette, busbar’da iletim kablolarında, motorda vb. yapılarda ani, beklenmeyen ve geri -döndürülemeyen süper-iletken özelliğin kaybedilme durumu. Süper iletken mıknatıslarda mekanik arızaların performans kaybının nedeni olduğunu unutmamalıdır. Süperiletken hızlandırıcı mıknatıslar, yüksek alanlar ve akım yoğunlukları ile karakterize edilir.

Kararlı çalışma kriterleri Kararlı çalışma BOZULMA NEDENLERİ Dış enerji akışı: -İletkenin hareketi -Yalıtımda bozulma -Akımda ani değişim -AC kayıp -Isı sızıntısı -Yanlış demet… Sıcaklık artışı Belirli bir bölümün «normal» durumdan çıkışı ve Joule ısısının ortaya çıkması QUENCH Quench analizi: Neden, nasıl? ü Simülasyon ü Deneysel gözlem ü Koruma EVET Isı oluşumu > Isı atımı HAYIR

Magnet parçalarının yapısı ve magnetin oluşturulma işlemi oda sıcaklığında yapılırken, çalışma sıcaklıklarının -270ºC olacağı unutulmamalı ve dizaynın mutlaka bu koşula göre yapılması gerekmektedir. Dizaynda; i) Süperiletken malzemenin çekme gerilmesi, ii) Malzemelerin bozulma ve yıpranma durumları iii) Magnetin ömür döngüsü: montaj, soğutma, enerji verme, quench özellikleri dikkate alınmalıdır.

Gerilme (stress) ve gerinim (strain) Gerilme, sürekli bir malzemenin komşu parçalarının birbirlerine uyguladığı iç basıncı ifade eden fiziksel bir terimdir. Kuvvetler düzleme dik olduğunda, gerilme «normal gerilme (σ)» olarak adlandırılır; paralel olduğunda ise, gerilmeye «kesme gerilmesi (τ)» denilmektedir. Normal ve kayma gerilmeleri: Fz Fz δ uzunluğuna (I 0) göre yer değiştirmeyi (δ) temsil eden Fy A Normal ve kesme gerilmeleri Gerinim, hacimdeki parçalar arasındaki bir referans I 0 Gerinim normalleştirilmiş bir deformasyon terimidir.

Hooke yasasına göre, belirli sınırlar içinde, bir çubuğun ε gerinimi, uygulanan σ gerilmesi ile orantılıdır. Orantılılık sabitliği, malzemenin esneklik sabitidir. Esneklik modülü E (Young modülü): Poisson oranı ν, "enine" ile "eksenel" gerinimin oranıdır: Cisim bir yönde sıkıştırıldığında, enine yönde uzama eğilimi gösterir; uzatıldığında ise incelir. Tipik değer 0. 3 civarındadır. Kesme modülü G, kesme gerilmesinin τ ve kesme gerinimine oranı olarak tanımlanabilir:

Malzeme Özellikleri Nb−Ti bobinlerinde kullanılan bazı tipik malzemelerin fiziksel özellikleri (4. 2 K'de). Malzemenin özellikleri, uygun bir mekanik tasarımın gerçekleştirilmesi için iyi bilinmelidir. Süperiletken sargılar kompozitlerdir, yani farklı materyallerin karışımlarıdır. Şekil (a), yuvarlak tel ile sarılmış basit bir Nb−Ti bobini resmetmektedir ve (b), sayısal yöntemler ile hesaplanan, taranan özellikleri elde etmek için kullanılan modeli göstermektedir. Malzeme özellikleri sıcaklığa çok bağlıdır.

Parçacık hızlandırıcıları için süperiletken bobinlerin çoğu, çoklu tellerden oluşan kablolardan sarılmaktadır. Çok telli kablonun avantajları: - tel uzunluğunun büyütülebilmesi; - tur sayısının azaltılabilmesi - kolay sarım; - daha küçük bobin indüktansı - quench sonrasında, daha hızlı akım deşarjı ve daha az bobin gerilimi. Cu Nb-Ti -quench sonrasında akımın diğer tellere dağıtımı kolaylığı…

Teşekkürler. .