Nel mondo delle applicazioni del principio fisico della Risonanza Magnetica un vero punto di svolta è rappresentato dall’introduzione della tecnologia della Superconduzione per la generazione del campo magnetico statico.

Tale innovazione ha consentito in tutti i settori di applicazione di raggiungere livelli di campo statico considerevolmente più elevati rispetto a quanto era possibile ottenere dai magneti permanenti.

I magneti superconduttori utilizzano la capacità di alcuni materiali (Nb, Sn, ecc) di presentare una straordinaria capacità di conduzione della corrente elettrica se portati a una particolare condizione di operatività, ovvero al di sotto di una temperatura cosiddetta “critica” e pari a circa -270°C ovvero prossima a 0°K

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

Un materiale superconduttore mantenuto al di sotto della sua temperatura critica è caratterizzato da due proprietà:

la superconduzione

l’effetto Meissner

La superconduzione consiste nella totale perdita di resistenza offerta dal conduttore al passaggio di una corrente elettrica (R = 0).

L’effetto Meissner è la capacità di un superconduttore di espellere dal suo volume un campo magnetico esterno (solo al raggiungimento della T_critica).

Nei magneti superconduttori sono presenti notevoli quantità (litri) di He_liq.Si deve tener presente che 1 litro di elio liquido equivale a 750 litri di elio gassoso!

Che cos’è un quench in un magnete superconduttore?

Il quench di un magnete superconduttore, consiste nel surriscaldamento di una parte del suo avvolgimento che porta alla perdita della superconduttività: quando questo accade, la corrente circolante viene rapidamente dissipata e il magnete cessa di funzionare.

Quando una parte del superconduttore raggiunge una temperatura superiore alla soglia critica di superconduzione, 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.

Nel corso di un quench l’elio si espande molto rapidamente saturando velocemente tutto il volume a disposizione nell’ambiente a disposizione. Essendo l’elio molto più leggero dell’aria (ricordate i palloncini dei bambini!) va verso l’alto e si stratifica dal soffitto verso il basso. Il tenore di ossigeno nell’ambiente può così scendere dal normale 20,9% al 18-16% che rappresenta la soglia al di sotto della quale si iniziano ad avere seri problemi di insufficienza respiratoria fino all’asfissia. Inoltre, dato che l’elio passa dallo stato liquido (-270°C) a T_amb in un ambiente chiuso, si somma un rischio da congelamento. Quindi “in caso di quench c’è una sola cosa da fare: uscire immediatamente dalla stanza e aspettare che l’aria torni respirabile. Ogni altra cosa si tenti di fare attorno al magnete è completamente inutile.” (V. Piccinotti)

Il “quench”, come abbiamo detto, è causato da una anomalia di funzionamento del sistema che si surriscalda eccessivamente facendo così passare troppo elio allo stato di vapore nello spazio-testa* del magnete. La normale apertura della quench-valve non è più sufficiente a bilanciare la pressione e il sistema va fuori controllo.

*Elio P.f. -272,22 °C p.eb. -268,93 °C; in un intervallo assai ristretto (3,29 °C) nello spazio-testa si gioca l’equilibrio elio liq -à --ß elio gas.

Raccomandazioni (V.Piccinotti)

Durante l’energizzazione la probabilità di quench è massima; il magnete è stressato elettricamente e meccanicamente dalla corrente che sta salendo, il boil-off di elio è alto, l’energizzatore è nervoso… tutto cospira verso un quench! Nell’uso normale, una volta energizzato e stabilizzato il magnete, le possibilità di quench sono minime, e nei magneti moderni nulle o quasi.

Due possono essere le cause di quench su un magnete energizzato e stabile, e una è ovvia: la mancanza di elio liquido; l’altra è la presenza di vibrazioni, anche apparentemente di non grande entità, cui venga sottoposto il magnete. In caso di urto con un oggetto metallico il quench è quasi inevitabile, in quanto oltre alle vibrazioni si ha l’effetto della forza magnetodinamica cui è sottoposta la bobina; quindi la raccomandazione di non avvicinare oggetti metallici al magnete è ben giustificata. Per quanto riguarda la mancanza di elio liquido, non c’è molto da dire, oltre a ricordare che il magnete non ha pazienza, e non aspetta: occorre effettuare il refill entro o poco oltre la scadenza, quindi occorre tenere d’occhio consumo e livello di elio e provvedere per tempo al refill: sempre meglio una settimana o due in anticipo che troppo tardi!

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