In 2010 wonnen Andre Geim en Konstantin Novoselov de Nobelprijs voor natuurkunde voor hun onderzoek naar grafeen - een 2D-kristallijne structuur die bestaat uit een enkele atoomlaag van koolstof. In hun onderzoek ontdekten zij opmerkelijke mechanische en elektrische eigenschappen - het is aanzienlijk sterker dan staal maar ook zeer rekbaar, heeft een extreem hoog thermisch en elektrisch geleidingsvermogen, en, zoals zij ontdekten bij het bestuderen van grafeen onder een hoog magnetisch veld, vertoont het een ongewoon fractioneel quantum Hall effect en een exotische vorm van tunneling. [1]
Net als het onderzoek naar grafeen, waarmee Gein en Novoselov de Nobelprijs voor natuurkunde wonnen, zou veel van 's werelds meest baanbrekende onderzoek niet mogelijk zijn zonder laboratoria met sterke magneetvelden.
Het succes van het onderzoek op het gebied van materiaalkunde, scheikunde, biologie en natuurkunde onder hoge magneetvelden heeft grote gevolgen voor de gezondheidszorg en technologie. Hoge magneetvelden worden ook gebruikt in deeltjesversnellers zoals de Large Hadron Collider (LHC) van CERN.
Samen met de magneetlaboratoria in Grenoble, Dresden en Toulouse maakt het High Field Magnet Laboratory aan de Radboud Universiteit in Nijmegen deel uit van het European Magnetic Field Laboratory. Er zijn slechts enkele laboratoria in de wereld waar onderzoek met hoge magneetvelden kan worden uitgevoerd.
Ter vergelijking: het magnetisch veld van de aarde is in de orde van 30-60 microtesla - dit magnetisch veld zal dus 106 maal sterker zijn dan het magnetisch veld dat ons beschermt tegen zonnewind. Een typische MRI-magneet is ongeveer 2 of 3 Tesla.
Aangezien een dergelijke magneet nog niet bestaat, moet hij van de grond af aan worden opgebouwd, waarbij deskundigen vanuit verschillende disciplines van over de hele wereld betrokken zijn. Deze nieuwe hybride 45 Tesla magneet vereist veel apparatuur om hem draaiende te houden en om ervoor te zorgen dat hij veilig werkt. Als er iets misgaat in de werking, kan de magneet kapot gaan – een kostenpost van ongeveer 10 miljoen euro.
De magneet die wordt ontwikkeld in het High Field Magnet Laboratory is een hybride magneet bestaande uit een binnenste resistieve elektromagneet die een magnetisch veld van iets meer dan 32,8T produceert en een buitenste supergeleidende magneet die 12,3T produceert. De binnenste resistieve magneet werkt bij 40 kA. De buitenste supergeleidende magneet werkt op 20 kA.
De twee magneten produceren samen een magnetisch veld van ongeveer 45T. Deze enorme hoeveelheid stroom stelt ongelooflijk hoge eisen aan het stroomverbruik - niet alleen voor de stroom om het magnetische veld te produceren, maar ook voor het koelsysteem om de magneet operationeel te houden.
Om een supergeleider te zijn, moet het materiaal op extreem lage temperaturen worden gehouden - dicht bij 4 K (-269 C). Onder de juiste omstandigheden zal het materiaal werken als een supergeleider, zodat de stroom vrij kan stromen zonder weerstand (R=0), wat betekent dat de spanning over de supergeleider nul is (de wet van Ohm stelt dat V=IR dus V=I*0=0). De realiteit van een supergeleider is dat thermische uitzetting en mechanische veranderingen, onvolkomenheden in het geleidende materiaal, stroomstoten, storingen in het koelsysteem en zelfs straling, warmte-energie kunnen opwekken die de temperatuur in het materiaal plaatselijk kan doen stijgen tot boven het punt waarop het in de supergeleidende toestand kan zijn (V=0), waardoor het materiaal in de normaal geleidende toestand komt (V!=0). Wanneer het materiaal van de supergeleidende toestand naar de geleidende toestand gaat, gaat het gedissipeerde vermogen van IV=0 naar IV!=0, dat als warmte-energie in de omringende atomen zal verdwijnen, waardoor de plaatselijke temperatuurstijging zich exponentieel uitbreidt.
Dit op hol geslagen proces leidt snel tot temperaturen die onherstelbare schade veroorzaken aan een systeem dat 100 miljoen euro kost. Dit verschijnsel wordt "quench" genoemd en is een normaal onderdeel van de werking van een supergeleidende elektromagneet - waardoor quench-detectiesystemen van essentieel belang zijn.
Quench-detectiesystemen bewaken die zeer kleine spanningsveranderingen in verschillende zones van het supergeleidende materiaal. Wanneer een abnormale spanningsverandering wordt gedetecteerd, wordt een veiligheidssysteem in werking gesteld om de stroom snel af te sluiten en te voorkomen dat de quench zich uitbreidt en het systeem onherstelbare schade toebrengt.
Om dit voor elkaar te krijgen heeft VI Technologies gekozen voor een National Instruments cRIO 9049 met onboard FPGA. De FPGA wordt gebruikt om de spanning te meten op verschillende punten op de supergeleidende spoel. Er is een relatief lage signaal-ruisverhouding, zodat enige filtering nodig is om spanningen die wijzen op een quench nauwkeurig te detecteren. Dit aspect van de software wordt nog ontworpen omdat de magneet nog in ontwikkeling is. Daarom moet de FPGA-software modulair worden ontworpen om de filtering en de parameters voor het quench-detectiealgoritme flexibel te kunnen wijzigen.
"Het gebruik van een FPGA voegt flexibiliteit toe, want in plaats van een hele printplaat rond het detectiecircuit te moeten ontwerpen en telkens opnieuw te moeten maken als we de filtering moeten veranderen, kunnen we gewoon wat code veranderen en wordt de hardware van het detectiecircuit automatisch mee veranderd - dat is het mooie van werken met een FPGA", zegt softwaresysteemontwerper Roger Custers van VI Technologies.
Aangezien het algoritme rechtstreeks in hardware werkt, kan de quench-detectie FPGA de stroomonderbrekers activeren om de stroom naar de supergeleider af te sluiten en de quench bij de bron af te snijden in slechts 100 microseconden.
Deze magneet is nog in aanbouw en wordt naar verwachting eind 2021 in bedrijf gesteld, dus de precieze quench-detectie wordt nog gefinetuned. VI Technologies heeft LabVIEW en SystemLink gebruikt om de software inclusief de FPGA-code te maken met de mogelijkheid om gesimuleerde gegevens te gebruiken, zodat de wetenschappers en ingenieurs bij HFML de eerder op het systeem geregistreerde gegevens kunnen gebruiken in plaats van de spanningssignalen op de machine om omstandigheden te simuleren die zich in het lab hebben voorgedaan. Doordat gesimuleerde hardwarecomponenten kunnen worden gebruikt om alle betrokken softwarecomponenten, waaronder de FPGA, te testen, kunnen de precieze algoritmen voor quenchdetectie nauwkeurig worden ingeregeld. Het HFML-team kan zo ook situaties die zich tijdens de ontwikkeling in het lab hebben voorgedaan, naspelen om nauwkeurig te bekijken wat er is gebeurd en hoe de FPGA moet reageren.
Een selectie van projecten waar we een grote rol in hebben gehad
