Il magnete superconduttore

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Il campo magnetico dipolare sviluppato dal magnete superconduttore

Il magnete superconduttore di AMS-02 è costituito da 14 bobine. Nonostante la forma toroidale, il magnete sviluppa un campo dipolare lungo la direzione delle due bobine più grandi. L'intensità del campo al centro è pari a 0,87 T.

Il magnete superconduttore di AMS (Superconducting Magnet, SCM) è un apparato a bobine superconduttrici capaci di operare a una temperatura di funzionamento vicina allo zero assoluto, mantenuta in funzionamento nello spazio aperto da un sistema criogenico ad elio superfluido. Il SCM è uno strumento molto complesso e delicato, in grado di sviluppare un campo magnetico molto intenso, pari a 5-6 volte quello del magnete permanente di AMS-01.

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Che cos’è un magnete a conduttore?

La corrente che attraversa i fili di una bobina genera un campo magnetico. Per la legge di Ampere, più avvolgimenti ci sono nella bobina maggiore è l’intensità del campo.  Le particelle cariche che attraversano la bobina sono quindi soggette a un campo magnetico che esercita una forza, detta di Lorentz, che le devia lungo traiettorie circolari la cui curvatura dipende dal segno della carica elettrica.

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Perchè usare un magnete superconduttore?

Più intenso è il campo magnetico, maggiore è la curvatura della traiettoria delle particelle cariche. Tra queste, le particelle veloci e molto energetiche sono le più rigide e difficili da deviare per un campo magnetico sviluppato in una normale bobina. Per questo si ricorre a fili superconduttori, che sono in grado di trasportare correnti elevate senza dissipare energia. Il campo magnetico di un superconduttore è parecchie volte più intenso del campo magnetico generato dai magneti permanenti e consente di separare le particelle dalle antiparticelle fino a scale energetiche elevate, dell’ordine del TeV.

Un grosso vantaggio del magnete superconduttore è che non dissipa la corrente che circola nelle bobine (tutti i superconduttori hanno resistenza nulla!). Una volta caricato il magnete, vengono chiuse le bobine (si tratta del cosiddetto persistent mode), la corrente comincia a circolare e, visto che la resistenza del sistema è praticamente nulla, il campo magnetico dura anni!

Uno degli svantaggi del magnete superconduttore è che nello spazio non può operare per un tempo illimitato perchè consuma liquidi criogenici (elio liquido a bassa temperatura).

In seguito al successo della missione STS-91 con il magnete permanente, la Collaborazione AMS ha cominicato a sviluppare un magnete superconduttore progettato per una missione di tre anni prevista sulla ISS. I due magneti hanno le stesse interfacce con i sistemi di rivelazione delle particelle, in modo da poter configurare l’esperimento in due versioni: quella con il magnete superconduttore, ottimizzata per un limitato periodo di funzionamento, e quella con il magnete permanente, ottimizzata per operare più a lungo sulla ISS.

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Perchè un magnete superconduttore deve essere criogenico?

La temperatura di lavoro dei superconduttori è prossima allo zero assoluto (4 K nel caso di fili di AMS in neodimio e titanio). Dunque è assolutamente necessario un sistema di criogenia che mantenga la temperatura al di sotto di una soglia critica per poter affrontare un eventuale quench (vedi sotto) e… correre ai ripari!

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Per approfondire: Che cos’è un quench in un magnete superconduttore?

Quando una parte del superconduttore raggiunge una temperatura superiore alla soglia critica di superconduzione (per i fili superconduttori di AMS-02, T > 4K), diviene un normale filo che, come accade per il tungsteno del bulbo di una lampadina, comincia a dissipare calore, riscaldando il materiale circostante. Avviene dunque una transizione locale da uno stato di superconduttore a uno stato normale che può essere molto veloce e causare una trasformazione completa dell’energia magnetica immagazzinata nelle bobine in calore: se non si provvede immediatamente, i fili possono anche essere distrutti dal calore. Tale processo prende il nome di quench magnetico.

L’elettronica del magnete di AMS è in grado di rilevare effetti minimi di quench e attivare una serie di caloriferi che, riscaldando uniformemente  le bobine del del superconduttore, fanno transire tutte le parti superconduttive del magnete al modo resistivo normale allo stesso tempo. In questo modo l’energia magnetica viene dissipata su un grande volume e non danneggia le bobine. Quando un magnete superconduttore comincia a funzionare, i fenomeni di quench sono piuttosto frequenti (periodo cosiddetto del quenches training), per poi esaurirsi durante le vere e proprie fasi di lavoro. Il magnete superconduttore di AMS-02 è progettato per resistere a vari quenches training, tipicamente durante i test a terra, e per difendersi da possibili quench anche in orbita, a costo di consumare un 25% circa dell’elio disponibile in partenza.

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Magnete superconduttore CAD

Il magnete superconduttore, il contenitore di elio e la camera a vuoto (CAD Design).

Da che cosa è costituito il magnete superconduttore?

Il sistema magnetico a superconduzione di AMS consta di 14 bobine superconduttori, un contenitore di elio superfluido e un sistema di criogenia, il tutto racchiuso in una camera a vuoto.

Le due bobine più grandi, le bobine di dipolo, generano il campo magnetico principale, mentre le bobine laterali chiudono il campo minimizzando le deviazioni del campo al di fuori del magnete e  rendendo complessivamente nullo il momento di dipolo del sistema magnetico. In questo modo si evitano le sgradevoli forze di torsione sulla ISS che risulterebbero dalle interazioni del campo di AMS con il campo magnetico terrestre. Le bobine sono costituite da minuscoli filamenti di 22.4 micron di diametro di neodimio e titano, in grado di trasportare corrente con resistività nulla. Le due bobine del dipolo contano 3.360 giri l’una. Quando il magnete è carico i due grandi dipoli subiscono un’attrazione netta l’uno verso l’altro di circa 250 tons, forza che è sopportata da una struttura meccanica adeguata.

Il magnete risulta operativo in fase supercoduttrice ad una temperatura di 1.8 K, temperatura ottenuta sfruttando il potere criogenico di 2.500 litri di elio superfluido immagazzinati in un contenitore toroidale. Purtroppo, a causa degli inevitabili carichi di calore, l’elio è soggetto a riscaldamento ed è destinato a evaporare gradualmente. L’evaporazione dell’elio determina la durata dell’esperimento AMS con magnete superconduttore, stimata da progetto in 3 anni circa. Nel momento in cui l’elio non bastasse più per mantenere la temperatura criogenica, il magnete superconduttore si riscalderebbe oltre la temperatura critica e non sarebbe più operativo.

Per poter mantenere l’elio superfluido sufficientemente freddo e garantire la massima durata di vita al magnete superconduttore, è stato quindi sviluppato un complesso sistema di criogenia che comprende: un separatore gas-liquido passivo , dei Cryocoolers, delle pompe termo-meccaniche e moltre alte componenti ancora.

Per poter far funzionare un sistema magnetico così freddo c’è bisogno di un thermos! Per questo il magnete superconduttore e il contenitore di elio sono racchiusi in una grande camera a vuoto di forma toroidale.

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Per saperne di più:

» Legge di Ampere (Wikipedia)

» Campo magnetico (Wikipedia)

» Superconduzione (Wikipedia)

» Superfluidità (Wikipedia)