El Imán Superconductor


The Superconducting Magnet Dipole Field

El Imán Superconductor de AMS-02 está compuesto por 14 bobinas. Debido a la disposición de las bobinas el imán desarrolla un campo dipolar muy uniforme muy a lo largo de la dirección entre las dos bobinas mayores. La intensidad del campo en el centro es de aproximadamente 0.87 T.

Las dimensiones mecánicas son las mismas que las del Imán Permanente que se utilizó en el vuelo de 1998 pero la intensidad de campo es mayor de modo que permitirá separar partículas y antipartículas en un rango de energía mayor.

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¿Que es y por qué necesitamos un Imán Superconductor?

Una corriente eléctrica que circula por una espira de hilo conductor produce un campo magnético. Cuantas más espiras tenga el hilo mayor es la intensidad del campo producido. Esta es una consecuencia de la Ley de Ampere. Las partículas cargadas que atraviesan una región con campo magnético experimentan una fuerza, llamada Fuerza de Lorentz, y su trayectoria se curva dependiendo de su velocidad y su carga eléctrica.

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Cuanto mayor es la intensidad del campo magnético, mayor el la curvatura de la trayectoria. Las partículas de alta velocidad se califican como rígidas porque es difícil curvar apreciablemente sus trayectorias mediante campos magnéticos creados por bobinas de hilo conductor normal. Sin embargo, por un hilo superconductor pueden circular corrientes elevadas sin disipar energía. Un imán superconductor es capaz de producir campos magnéticos de una intensidad varias veces superior a la de un imán convencional y permite separar partículas y antipartículas hasta energías muy elevadas (en la escala de los TeV).

Desde el punto de vista práctico, la principal ventaja de un imán superconductor es la ausencia de disipación de la corriente que circula por las bobinas porque la resistencia es casi cero. Así, una vez que el imán ha sido cargado con la intensidad de corriente especificada, el circuito de bobinas se cierra (es el llamado persistent mode) y, como la resistencia es casi nula, la corriente puede circular por las bobinas durante años.

La principal dificultad que presenta trabajar con un Imán Superconductor en el espacio es que, con la tecnología actual, no se puede mantener operativo indefinidamente ya que consume fluidos criogénicos a muy baja temperatura (la temperatura del Helio líquido).

Después del éxito de la misión STS-91 basada en un Imán Permanente, la colaboración AMS comenzó a desarrollar un Imán Superconductor (SCM: Super Conducting Magnet) diseñado para operar durante el tiempo de funcionamiento previsto para la misión AMS-02 (el de la ISS): tres años. Los dos imanes son idénticos desde el punto de vista de las conexiones mecánicas con los detectores de partículas de modo que AMS puede operar en dos versiones diferentes: una con imán superconductor optimizada para una duración corta de la ISS y otra con imán permanente optimizada para una duración más larga.

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¿Por qué un Imán Superconductor debe ser criogénico?

Los superconductores funcionan a temperaturas cercanas al cero absoluto (4 K en el caso de hilos de Niobio-Titanio de AMS). Se necesita un sistema criogénico para mantener la temperatura por debajo del límite crítico y para poder recuperar su funcionamiento en caso de tener un quench.

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In Depth:¿Qué es un quench de un Imán Superconductor?

Si la temperatura de una parte del superconductor supera la temperatura crítica (4 K en el caso de AMS), esa parte pierde las propiedades superconductoras y pasa a ser un conductor con resistencia normal. Al igual que sucede con el filamento de una bombilla de tungsteno, esa parte del hilo conductor calienta el material que la rodea. La transición local de estado superconductor a estado normal puede ser muy rápida y termina convirtiendo la energía electromagnética almacenada en las bobinas en calor destruyendo el hilo conductor si no se disipa adecuadamente. Este proceso se denomina quench. La electrónica del Imán de AMS permite detector la ocurrencia de un quench y activa una serie de calentadores para que todos los hilos superconductores del imán pasen a un modo resistivo normal al mismo tiempo. De este modo, la energía se disipa en un volumen grande sin ocasionar daños en las bobinas del imán. Cuando un imán superconductor comienza a funcionar por primera vez, los quenches ocurren con bastante frecuencia (training quenches) debido a imperfecciones microscópicas; durante el periodo de funcionamiento posterior normalmente no hay más quenches. El Imán Superconductor de AMS ha sido diseñado para aguantar varios quenches de entrenamiento durante los tests realizados en tierra y para recuperarse en el caso de que sucedan en órbita. Sin embargo, cada quench reduce en un 25% las reservas almacenadas de Helio líquido.

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SC Magnet CAD

Diseño del Imán Superconductor, el tanque de helio y el contenedor de vacío.

¿Cómo se ha construido el Imán Superconductor?

El Imán de AMS consiste en 14 bobinas superconductoras, un tanque de helio superfluido y un sistema criogénico, todo ello encerrado en un tanque de vacío.

Las dos bobinas mayores (dipole coils) proporcionan el campo principal y las 12 de menor tamaño (racetrack coils) cierran las líneas de campo minimizando el campo fuera del volumen del imán. Esto permite que, fuera del imán, el momento bipolar efectivo sea nulo y se eviten los pares de fuerza que se crearían sobre la ISS al interactuar con el campo magnético terrestre. Las bobinas están construidas por filamentos muy delgados (22.4 micra de diámetro) de niobio y titanio que conducen la corriente sin resistividad. Cada una de las dos bobinas bipolares tiene 3360 espiras y cuando el imán se carga, la fuerza de atracción entre ellas es de unas 250 toneladas. La estructura mecánica del imán está diseñada para aguantar estas fuerzas tan grandes.

El Imán opera a una temperatura de 1.8 K utilizando las capacidades criogénicas proporcionadas por los 2500 l de helio superfluido almacenado en un contenedor toroidal. Debido a las pequeñas fuentes de calor parásitas, el helio se evapora gradualmente y su duración prevista es de tres años. Después de este tiempo, el Imán de AMS se calentará y ya no estará operativo.

Para maximizar la vida del Imán Superconductor y mantener el helio en estado superfluido el mayor tiempo posible, se ha desarrollado un complejo sistema criogénico (Separadores de Fase Pasivos, Sistemas de enfriamiento del contenedor, Dispositivos de Enfriamiento Criogénico, bombas termomecánicas, etc.)

Finalmente, para poder operar el Imán a temperaturas tan bajas necesitamos un termo!. Por esta razón tanto el Imán como el Contenedor de Helio se encierran en un gran contenedor toroidal al vacío.

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Por saber más:

» Ley de Ampere (Wikipedia)

» Campo Magnetico(Wikipedia)

» Superconductividad (Wikipedia)

» Superfluidez (Wikipedia)