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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
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Hochfeld-Magnetlabor Dresden (HLD) Jochen Wosnitza www.fzd.de 13.12.2008
Ziel des HLD: 100 Tesla
Was sind 100 Tesla?
[ täss’la ]
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Ziel des HLD: 100 Tesla
Was sind 100 Tesla?
x 2
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Ziel des HLD: 100 Tesla
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?
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Ziel des HLD: 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?
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Inhalt
• Wo findet man Magnetfelder?
• Wie erzeugt man Magnetfelder?
• Wofür braucht man Magnetfelder?
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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
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Die stärksten Magnetfelder in der Natur
Neutronensternkollision (1011 T nach 11 ms)
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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
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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
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Pulsfelderzeugung
Halb-destruktiv:Zerstörung einer Einwindungsspule
für Mikrosekunden
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Die ultimative Feldstärke für µs
Flusskompression durch Sprengung ⇒ 2800 T
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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
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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)
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Technische Herausforderung
4 GPa bei 100 T!
Lorentz-Kraft:
qB
Magnetischer Druck:v
F = q v × B
P = B2
2µ0
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Kräfte bändigen
Bestes Drahtmaterialreißt bei etwa1 GigaPascal (10 000 bar)
Verstärkung jeder Drahtlagemit isolierender Spezialfaser:Zylon® hält ~5 GigaPascal aus
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Wie füttert man die Spulen? Methode 1
100 T-Magnet (9 Tonnen)Feldrekord: ~89 T
GleichrichterSchwungradgenerator 1 GW24 kV34 kA1800 rpm
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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
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Was sind 50 MegaJoule Energie?
60 Tonnenbei150 km/h
2,2 kgSchokolade
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Was sind 5 GigaWatt Leistung?
Leistung einesstarkenRaketenantriebs
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Wat kost dat?
Kosten für einevolle 50 MJ-Ladung(Aufladung mit~0,6 MW in 90 s)
ca. 2 Euro
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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
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www.soundhorses.com
Wozu hohe Magnetfelder?
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Wissenschaftliche Motivation
• Einzigartige Möglichkeiten
• Fundamentale Eigenschaften
• Materialwissenschaften
• Anwendungen
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IR-Spektroskopie mit FELBEELBEHLD
Zyklotron-Resonanz ESR bei 1,3 THz
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Verbesserung der Auflösung• MR-Tomographie bei 1,5 T
Erstes ~2 GHz Proton-NMR-Experiment von J. Haase
• NMR in gepulsten Feldern
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Beispiel: Supraleitung• In 2008 neue Klasse von
Supraleitern entdecktLOFA
LaO1-xFxFeAs
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Spin off
Kooperationen mit Firmen undFraunhofer-Institut
Elektromagnetische Pulsformung
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Resümee• Die Kunst der Spulenmanufaktur
• Das Nutzerlabor HLD
• Materialforschung
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Danke an die Crew ...
... und für die Aufmerksamkeitwww.fzd.de/hld