Icon left Vorige Icon up Overzicht Volgende Icon right

HFML laboratorium: meten met supersterke magneten

Onderwerp: Elektrisch veld en magnetisch veld, Werking van apparaten

Begrippen: Kracht

Zij aan zij met het FELIX laboratorium in Nijmegen staat het laboratorium voor hoge magneetvelden HFML. Hier beschikken ze over een aantal magneetopstellingen met supersterke, zelf ontworpen magneten. In die hoge magneetvelden kunnen ze heel speciaal onderzoek doen, zelfs gecombineerd met vrije-elektronenlaserbundels afkomstig uit het FELIX laboratorium.

In het laboratorium voor hoge magneetvelden HFML zijn nu vijf magneetopstellingen in gebruik voor onderzoek, waarbij in één opstelling de vrije-elektronenlaserbundel afkomstig van FELIX kan worden ingekoppeld. 

 Pad laserbundel van FELIX- naar HFML-laboratorium

Figuur 1: Pad dat de laserlichtbundel aflegt door het gebouw om van het FELIX laboratorium naar het laboratorium voor hoge magneetvelden HFML te komen. Afbeelding: Radboud Universiteit.

De maximale veldsterkte van deze magneten varieert van 30 tot 38 Tesla, wat enorm hoog is, als je bedenkt dat een koelkastmagneet ongeveer 0,1 Tesla is. De zesde magneet is nog in aanbouw. Dit is een hybride magneet die bestaat uit een supergeleidende buitenspoel met een koperen binnenspoel.

Eigen ontwerp

Frans Wijnen, technisch manager en magneet ontwerper bij HFML: “De magneten die we hier gebruiken, hebben we zelf ontworpen. Toen dit magneten laboratorium werd gebouwd in 2002, hebben we de eerste magneet samen met het ontwerp hiervan gekocht in Amerika. Later zijn we met de opgedane kennis zelf gaan ontwerpen.”

Extreem warm

Vaak denk je bij een elektromagneet aan een heleboel windingen van bijvoorbeeld koperdraad die een spoel vormen. Maar als je een magneet wilt maken die een heel sterk magnetisch veld kan maken, dan heb je een probleem: door de enorm hoge stroom die je hiervoor nodig hebt, worden de koperdraden waar de stroom doorheen loopt extreem warm. Doordat je de windingen van buitenaf slecht kunt koelen, smelten de draden en gaat je magneet kapot.

Geleidende platen

De magneten bij HFML zijn daarom niet gemaakt van draden, maar zijn opgebouwd uit op elkaar gestapelde geleidende platen. Hier doorheen lopen kleine kanalen om de magneten met water te kunnen koelen. Dat die koeling hard nodig is blijkt wel: “Als je niets doet,” vertelt Frans Wijnen, “dan kunnen de platen waaruit de magneet is opgebouwd binnen één seconde wel 1000 graden opwarmen, waardoor ze kapot gaan. Daarom persen we per seconde 140 liter – ongeveer een badkuip vol – gedemineraliseerd (niet-geleidend) water door de gaatjes in de magneetplaten om de magneet te koelen.”

Hergebruik warmte

Je kunt je voorstellen dat het vermogen dat nodig is voor deze magneten enorm is. Er is een speciale stroomvoorziening nodig, aangezien het vermogen op volle sterkte wel 22 MW is. Dat is evenveel als het vermogen dat je nodig hebt voor ongeveer 10.000 huishoudens! Omdat een groot deel hiervan omgezet wordt in warmte, is er ook een enorme koelinstallatie gebouwd om het opgewarmde koelwater weer af te koelen. Gelukkig kan een deel van deze energie worden hergebruikt. Warmtepompen zorgen ervoor dat deze warmte kan worden benut voor de verwarming van andere gebouwen op de universiteitscampus. De koelcapaciteit bepaalt ook hoe lang de magneten aan kunnen staan. HFML heeft vier miljoen liter koud water beschikbaar, dat is opgeslagen in ondergrondse tanks. Zodra dit water is opgewarmd door de magneten moet dit weer afgekoeld worden. 

Gestapelde platen

Hoe zien de magneten die ze gebruiken bij HFML eruit? De magneten zijn opgebouwd uit allemaal cirkelvormige platen met een gat in het midden.

Figuur 2: Metalen plaat waaruit magneten opgebouwd zijn. Foto: Radboud Universiteit.

Elke plaat is doorgesneden. De platen worden op elkaar gestapeld, waarbij het punt waar de plaat is doorgesneden steeds een beetje verschoven zit ten opzichte van de vorige plaat. Bovendien zit er tussen de platen isolerend materiaal. De platen en het isolatiemateriaal worden zo in elkaar geschoven dat er een soort spiraalvormige geleider ontstaat.  

gestapelde platen vormen magneet

Figuur 3: Gestapelde platen met isolatiemateriaal ertussen, die samen een magneet vormen. Afbeelding: Radboud Universiteit.

In elke plaat zitten kleine gaatjes waar koelwater doorheen kan stromen. De plaatsing van de platen komt heel precies: de gaatjes van iedere plaat moeten precies boven de gaatjes van de vorige en volgende plaat komen, zodat het water zo goed als ongehinderd door de magneet kan stromen. Speciale bevestigingsstangen houden alle platen bij elkaar en zorgen ervoor dat ze niet kunnen verschuiven. 

Ontwerpproces

“De belangrijkste vragen die we onszelf stellen bij het ontwerp van een magneet zijn: Hoe kunnen we zo veel mogelijk stroom door de magneet voeren zonder dat de platen te warm worden? En hoe kunnen we voorkomen dat de platen zichzelf uit elkaar trekken door de lorentzkrachten die hierop werken?” legt Frans Wijnen uit. “Daarbij spelen tegenstrijdige belangen: voor de doorvoer van stroom en om de platen stevig te houden, wil je zo min mogelijk gaatjes in de platen. Maar om de platen te koelen, heb je juist weer veel gaatjes nodig. Met computerberekeningen zoeken we daarom naar het optimale aantal gaatjes en de beste vorm en verdeling van deze gaatjes.”

Modelleren

“Om de optimale verdeling te vinden van de gaatjes, reken ik eerst met een sterk vereenvoudigd model uit hoe de verdeling ongeveer moet zijn. In dit model doe je net alsof er steeds afwisselend een strook materiaal en een strook koelvloeistof is. Zo kan ik uitrekenen hoe de temperatuurverdeling in de plaat ongeveer wordt. Door de plaats en de dikte van de strook koelvloeistof te variëren, kijk ik wat de beste verdeling is. Pas daarna maak ik een 2D-simulatiemodel, waarin alle gaatjes opgenomen worden. In dit model passen we het aantal gaatjes en de plaats en vorm van de gaatjes net zo lang aan, totdat er een gelijkmatige en acceptabele temperatuurverdeling is bereikt.

 Simulatie temperatuur in magneetplaat

Figuur 4: Berekende temperatuurverdeling in een plaat waaruit de magneet is opgebouwd. Het rode gebied is het warmst, hier zit de bevestigingsstang om de platen bij elkaar te houden. Afbeelding: Radboud Universiteit.

Ook kijken we of de mechanische spanning binnen veilige grenzen blijft. Het magnetische veld oefent namelijk een lorentzkracht uit op de stroomvoerende platen.  

 Simulatie kracht op magneetplaat

Figuur 5: Spanningsverdeling in een plaat waaruit de magneet is opgebouwd. Naarmate je dichter bij het midden komt, is het magnetische veld sterker en neemt de mechanische spanning toe. Afbeelding: Radboud Universiteit.

Als deze kracht te hoog wordt, trekt deze de platen te veel uit elkaar. Om dat te voorkomen, moeten we dan de stroomdichtheid omlaag brengen. Zo zoeken we door allerlei parameters te variëren naar de meest ideale verdeling van de koelgaatjes in de plaat, waarbij een zo sterk mogelijk magnetisch veld ontstaat.” HFML heeft momenteel de meest efficiënte magneten als je kijkt naar de hoeveelheid energie die erin gaat en de sterkte van het veld dat daarmee gegenereerd wordt.

Magneetopstellingen

Eén magneetopstelling bij het HFML bestaat uit meerdere van deze gestapelde platen magneten. 

Figuur 6: Doorsnede magneetopstelling die opgebouwd is uit meerdere gestapelde platen magneten. Afbeelding: Radboud Universiteit.

Figuur 7: Eén van de magneetopstellingen in het laboratorium van HFML. Het FELIX laserlicht komt via de brede vacuümbuizen aan de bovenkant aan bij de magneet. Foto: Peter Albers, Radboud Universiteit.

De ruimte in het hart van de magneet is de plek waar de magnetische veldsterkte het grootst is en waarin je metingen kunt doen. Deze ruimte is maar 32 tot 50 millimeter breed. Wanneer je hierin ook nog wilt meten bij lage temperaturen, dan is het echt passen en meten.

Open magneetopstelling HFML 

Figuur 8: Open magneet met in het midden de meetruimte. Foto: Gideon Laureijs, Radboud Universiteit.

Probe ontwerpen

Veel monsters waar onderzoekers aan meten, zijn maar een paar millimeter groot. Om hiermee metingen te kunnen doen, is het vaak nodig om zelf een hulpstuk te ontwerpen voor dit specifieke monster. Dit hulpstuk gebruik je om het monster in de meetruimte te plaatsen en hieraan zitten ook de aansluitpunten die nodig zijn voor de metingen. Zo kunnen onderzoekers met dit hulpstuk (dit noem je een probe) in het hart van de magneet hun experimenten uitvoeren met de aangesloten randapparatuur.  

 Werken aan een probe HFML

Figuur 9: Onderzoeker die werkt aan een probe die in de meetruimte geplaatst kan worden. Foto: Gideon Laureijs, Radboud Universiteit.

Reserve magneten

“Er zijn heel veel onderzoekers die onze magneten willen gebruiken voor metingen. Vandaar dat er altijd een heel strak schema is waarin staat wie wanneer meettijd krijgt,” vertelt Frans Wijnen. “Als er problemen zijn met een magneet, of er is onderhoud nodig, dan wil je natuurlijk zo min mogelijk meettijd kwijt zijn. Daarom is er van elke deelmagneet één reserve versie, zodat onze medewerkers deze magneet als dat nodig is direct kunnen vervangen. Meer reserve magneten zou handig zijn, maar helaas zijn de magneten daarvoor te kostbaar!”