초전도 전자석
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1. 개요
초전도 전자석은 초전도 현상을 이용하여 강력한 자기장을 생성하는 전자석이다. 1911년 초전도 현상 발견 이후 아이디어가 제시되었으며, 1955년 최초의 성공적인 초전도 자석이 제작되었다. 니오븀-티타늄과 니오븀-주석과 같은 초전도 재료가 사용되며, 고온 초전도체의 발견으로 액체 질소 냉각 방식의 자석 개발도 이루어졌다. 초전도 전자석은 MRI 스캐너, 핵자기 공명 장비, 입자 가속기 등 다양한 분야에 활용되며, 자기장 안정성과 효율성, 소형화 및 에너지 절감 측면에서 기존 전자석보다 우수하다. 퀀치(quench)는 초전도 코일의 비정상적인 종료 현상으로, 자석의 성능을 저하시키고 안전 문제를 야기할 수 있다.
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초전도 현상은 특정 물질이 임계 온도 아래에서 전기 저항이 사라지는 현상으로, 마이스너 효과와 자기 선속 양자화 등의 특징을 보이며 BCS 이론으로 일부 설명되지만 고온 초전도체는 미해결 과제로 남아있고 MRI, 초전도 자석 등에 응용되며 상온 초전도체 개발 연구가 진행 중이다. - 초전도 - 고온 초전도체
고온 초전도체는 액체 질소 온도 이상에서 초전도 현상을 보이는 물질로, 구리 산화물 발견 이후 다양한 물질이 개발되었지만 작동 메커니즘은 완전히 규명되지 않았으며, 전자-전자 상호작용이 중요하고 송전, 의료, 자기부상열차 등에 응용될 잠재력을 가진다.
| 초전도 전자석 |
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2. 역사
초전도 전자석 기술은 1911년 헤이케 카메를링 오네스가 초전도 현상을 발견한 이후 꾸준히 발전했다. 초기에는 니오븀 전선이나 니오븀-주석 화합물을 이용한 저온 초전도 자석이 개발되었고, 1960년대에는 가공성이 좋고 경제적인 니오븀-티타늄 합금이 널리 사용되었다. 1986년 고온 초전도체의 발견은 액체 질소 냉각을 가능하게 해 초전도 자석 연구에 새로운 전기를 마련했다.
2014년 전 세계 초전도 관련 경제 활동 규모는 약 60억달러에 달했으며, 그 중 80%는 니오븀-티타늄 기반 MRI 시스템이 차지했다.[14]
이후 초전도 자석 기술은 계속 발전하여 2017년 32T,[13] 2019년 32.35T의 세계 기록이 수립되었다.[17] 2019년에는 NHMFL이 저항성 자석과 결합된 비절연 YBCO 테스트 코일을 개발하여 45.5T의 최고 연속 자기장 기록을 달성했으나,[18][19] 2022년 중국 과학원 허페이 물질과학연구소(HFIPS, CAS)는 45.22T의 가장 강력한 정자기장 세계 신기록을 달성했다고 주장했다.[22][23]
2. 1. 초기 연구
초전도 전선으로 전자기기를 만드는 아이디어는 1911년 헤이케 카메를링 오네스가 초전도 현상을 발견한 직후 제안되었지만, 실용적인 초전도 전자기기는 고자장 환경에서 큰 임계 초전류 밀도를 지원할 수 있는 초전도 물질의 발견을 기다려야 했다.[10] 최초의 성공적인 초전도 자석은 1955년 G.B. 옌테마가 니오븀 전선을 사용하여 제작했으며, 4.2 K에서 0.7조의 자기장을 달성했다.[10] 이후 1961년, J.E. 쿤즐러, E. 뷰러, F.S.L. 쉬, J.H. 베르닉은 니오븀과 주석의 화합물이 8.8조의 자기장 내에서 제곱센티미터당 100,000 암페어 이상의 임계 초전류 밀도를 지원할 수 있다는 사실을 발견했다.[11] 니오븀-주석은 취성이 강함에도 불구하고 자기장 최대 20조를 생성하는 초자석에 매우 유용한 것으로 입증되었다.영구 스위치는 1960년 스탠포드 대학교의 박사후 연구원이었던 드와이트 아담스에 의해 발명되었다. 두 번째 영구 스위치는 1963년 플로리다 대학교에서 M.S. 학생 R.D. 리치티에 의해 제작되었다. 이 스위치는 UF 물리학 건물 쇼케이스에 보존되어 있다.
1962년, T.G. 벌린코트와 R.R. 하크[12]는 니오븀-티타늄 합금의 높은 임계 자기장, 높은 임계 초전류 밀도 특성을 발견했다. 니오븀-티타늄 합금은 니오븀-주석보다 덜 괄목할 만한 초전도 특성을 가지고 있지만, 가공성이 뛰어나고 제작이 용이하며 경제적이다. 최대 10조의 자기장을 생성하는 초자석에 유용하며, 니오븀-티타늄 합금은 가장 널리 사용되는 초자석 재료이다.
1986년, 게오르그 베드노르츠와 카를 뮐러의 고온 초전도체 발견은 이 분야에 활력을 불어넣어, 다루기 더 어려운 헬륨 대신 액체 질소로 냉각할 수 있는 자석의 가능성을 열었다.
2007년, YBCO로 감긴 자석이 26.8조의 세계 기록 자기장을 달성했다.[13] 미국 국립 연구 위원회는 30조 초전도 자석을 제작하는 것을 목표로 하고 있다.
2. 2. 실용화
초전도 전선으로 전자기기를 만드는 아이디어는 1911년 헤이케 카메를링 오네스가 초전도 현상을 발견한 직후 제안되었지만, 실용적인 초전도 전자기기는 고자장 환경에서 큰 임계 초전류 밀도를 지원할 수 있는 초전도 물질의 발견을 기다려야 했다.[10] 최초의 성공적인 초전도 자석은 1955년 G.B. 옌테마가 니오븀 전선을 사용하여 제작했으며, 4.2K에서 0.7T의 자기장을 달성했다.[10] 1961년, J.E. 쿤즐러, E. 뷰러, F.S.L. 쉬, J.H. 베르닉은 니오븀과 주석의 화합물이 8.8T의 자기장 내에서 제곱센티미터당 100,000 암페어 이상의 임계 초전류 밀도를 지원할 수 있다는 사실을 발견했다.[11] 니오븀-주석은 취성이 강함에도 불구하고 자기장 최대 20T를 생성하는 초자석에 매우 유용한 것으로 입증되었다.1962년, T.G. 벌린코트와 R.R. 하크[12]는 니오븀-티타늄 합금의 높은 임계 자기장, 높은 임계 초전류 밀도 특성을 발견했다. 니오븀-티타늄 합금은 니오븀-주석보다 덜 괄목할 만한 초전도 특성을 가지고 있지만, 가공성이 뛰어나고 제작이 용이하며 경제적이다. 최대 10T의 자기장을 생성하는 초자석에 유용하며, 니오븀-티타늄 합금은 가장 널리 사용되는 초자석 재료이다.
1986년, 게오르그 베드노르츠와 카를 뮐러의 고온 초전도체 발견은 이 분야에 활력을 불어넣어, 다루기 더 어려운 헬륨 대신 액체 질소로 냉각할 수 있는 자석의 가능성을 열었다.
2007년, YBCO로 감긴 자석이 26.8T의 세계 기록 자기장을 달성했다.[13] 미국 국립 연구 위원회는 30T 초전도 자석을 제작하는 것을 목표로 하고 있다.
2014년, 전 세계적으로 약 60억달러의 경제 활동이 초전도성에 필수적인 결과로 나타났다. 니오븀-티타늄을 사용하는 MRI 시스템이 그 총액의 약 80%를 차지했다.[14]
2016년, 윤 등은 2013년에 이전에 보고된 기술을 사용하여 GdBa2Cu3O7–''x''로 제작한 26T 무절연 초전도 자석을 보고했다.[15][16]
2017년, 국립 고자기장 연구소(NHMFL)에서 제작한 YBCO 자석이 32T의 강도로 이전 세계 기록을 깼다. 이것은 수십 년 동안 지속되도록 설계된 모든 초전도 사용자 자석이다. 이들은 2018년 3월 현재 기록을 보유하고 있다.
2019년, 중국 과학원 전기공학연구소(IEE, CAS)가 모든 초전도 자석으로 32.35T의 새로운 세계 기록을 달성했다.[17] HTS 삽입 자석에 무절연 기술도 사용되었다.
2019년, NHMFL은 또한 저항성 자석과 결합된 비절연 YBCO 테스트 코일을 개발하여 자석의 모든 구성에 대한 최고 연속 자기장에 대한 연구소 자체 세계 기록인 45.5T를 깼다.[18][19]
2020년에는 HTS 자석을 사용하여 1.2GHz (28.2T) NMR 자석[20]이 달성되었다.[21]
2022년, 중국 과학원 허페이 물질과학연구소(HFIPS, CAS)는 45.22T의 가장 강력한 정자기장에 대한 새로운 세계 기록을 달성했다고 주장했다.[22][23] 반면 2019년 이전 NHMFL 45.5T 기록은 실제로 자석이 퀀치로 즉시 고장났을 때 달성되었다.
2. 3. 대한민국
주어진 원본 소스에는 대한민국과 관련된 초전도 전자석 내용이 없으므로, 해당 섹션은 작성할 수 없습니다. 따라서 이전 출력과 동일하게 빈 내용을 출력합니다.3. 구조 및 원리
초전도 전자석은 초전도 물질을 코일 전선으로 사용하는 전자석이다. 핵융합로, 가속기, 초전도 회전기, 의료기기 등 다양한 분야에서 활용된다. 액체 헬륨으로 냉각된 코일 전선은 초전도 상태가 되어 전류가 흘러도 열이 발생하지 않는다. 따라서 지속적으로 전류를 보내 자기장을 얻을 수 있다. 초전도 자석 자체는 전력 소비가 거의 없지만, 극저온 환경을 조성하고 유지하기 위해 냉동용 전력이 필요하다.
초전도 전자석에서 도달 가능한 최대 자기장은 권선 재료가 초전도성을 잃는 임계 자기장 "'''H'''c"와 임계 전류 "'''I'''c"에 의해 제한된다.
초전도체는 전기 저항이 0이므로 영구적으로 전기가 계속 흐르고, 발열 문제 없이 강력한 자기력을 발생시킬 수 있다. 일반적인 금속을 사용한 전자석으로 강한 자기장을 발생시키려면 큰 전류를 흘려야 하는데, 이는 금속의 전기 저항으로 인한 발열 문제를 야기한다. 금속은 온도가 올라갈수록 전기 저항이 증가하는 성질이 있어, 발열 시 저항이 계속 증가하여 흐를 수 있는 전류에 한계가 있다. 초전도체는 발열하지 않는 장점이 있지만, 자기장에 약하다는 단점이 있다. 임계 자기장을 넘는 자기장을 발생시키면 초전도 현상이 사라진다. 따라서 외부 자기장에 강한 제2종 초전도체가 재료로 사용된다.
3. 1. 냉각
작동 중에는 자석 코일을 초전도 임계 온도 아래로 냉각해야 하는데, 이 온도는 코일 재료가 일반적인 저항 상태에서 벗어나 초전도체가 되는 온도이며, 극저온 범위로 실온보다 훨씬 낮다. 코일은 일반적으로 임계 온도보다 훨씬 낮은 온도로 냉각되는데, 온도가 낮을수록 초전도 코일의 성능이 향상되기 때문이다. 즉, 비초전도 상태로 돌아가지 않고 견딜 수 있는 전류와 자기장이 더 높아진다.[1]액체 헬륨은 많은 초전도 코일의 냉각제로 사용된다. 헬륨은 4.2K의 끓는점을 가지며, 이는 대부분의 코일 재료의 임계 온도보다 훨씬 낮다. 자석과 냉각제는 듀어라고 불리는 단열 용기인 극저온 용기에 담겨 있다. 헬륨이 끓어 증발하는 것을 막기 위해, 극저온 용기는 대개 (훨씬 저렴한) 액체 질소가 77K로 채워진 외부 자켓으로 구성된다. 또는, 전도성 물질로 만들어져 40K ~ 60K 온도 범위에서 유지되는 열 차폐막이 헬륨이 채워진 용기 주변에 배치되어 극저온 냉각기의 콜드 헤드와 전도 연결을 통해 냉각되며, 후자에 대한 열 입력을 허용 가능한 수준으로 유지한다. 고온 초전도체 탐색의 목표 중 하나는 액체 질소만으로 냉각할 수 있는 자석을 만드는 것이다. 약 20K 이상의 온도에서는 극저온 액체를 끓이지 않고 냉각을 달성할 수 있다.
냉각 비용 증가와 액체 헬륨 가용량 감소로 인해 많은 초전도 시스템은 2단계 기계식 냉각을 사용한다. 일반적으로 자석을 임계 온도 이하로 유지할 수 있는 충분한 냉각 능력을 가진 두 가지 유형의 기계식 극저온 냉각기가 사용된다. 기포드-맥마흔 극저온 냉각기는 1960년대부터 상용화되어 널리 사용되었다.[1][2][3][4] 극저온 냉각기의 G-M 재생 사이클은 피스톤형 변위기 및 열교환기를 사용하여 작동한다. 또는 1999년에는 펄스관 극저온 냉각기를 사용한 최초의 상업적 응용이 이루어졌다. 이 설계의 극저온 냉각기는 기계적 변위 대신 음향 프로세스를 사용하므로 진동이 적고 서비스 간격이 길어져 점점 더 보편화되었다. 일반적인 2단계 냉동기에서 첫 번째 단계는 더 높은 냉각 용량을 제공하지만 더 높은 온도(≈ 77K)에서 작동하며, 두 번째 단계는 ≈ 4.2K 및 의 냉각 능력을 갖는다. 사용 시 첫 번째 단계는 주로 극저온 용기의 보조 냉각에 사용되고, 두 번째 단계는 주로 자석 냉각에 사용한다.
초전도체는 전이 온도(초전도와 상전도의 경계 온도)보다 온도를 낮출수록 임계 자기장은 높아지므로, 재료의 전이 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 사용된다. 냉각제로는 4.2K의 액체 헬륨이 많이 사용된다.
액체 헬륨이 필요 없고 퀀칭의 가능성이 낮은 고온 초전도 벌크 자석을 사용한 기종으로 된 자석이 등장하고 있다.[26][27] 고온 초전도체는 선재화가 어려워 초전도 자석으로서의 실용화가 이루어지지 않았지만, 최근에는 REBCO에 의한 선재화가 가능해져 용도 확대를 기대하고 있다.
3. 2. 코일 권선 재료
대부분의 현재 초전도 전자석 코일은 니오븀-티타늄으로 구성된다. 이 재료는 10,000의 임계 온도를 가지며 약 15조까지 초전도성을 나타낼 수 있다. 더 비싼 자석은 니오븀-주석 (Nb3Sn)으로 만들 수 있다. 이들은 18 K의 ''T''c를 갖는다. 4.2 K에서 작동할 때 최대 25 T에서 30 T까지 훨씬 더 높은 자기장 세기를 견딜 수 있다. 불행히도, 이 재료로 필요한 필라멘트를 만드는 것은 훨씬 더 어렵다. 이러한 이유로 때로는 고자장 부분에는 Nb3Sn, 저자장 부분에는 NbTi의 조합이 사용된다. 바나듐-갈륨은 고자장 삽입에 사용되는 또 다른 재료이다.[28]고온 초전도체 (예: BSCCO 또는 YBCO)는 Nb3Sn이 관리할 수 있는 것보다 더 높은 자기장이 필요할 때 고자장 삽입에 사용될 수 있다. BSCCO, YBCO 또는 마그네슘 디보라이드는 또한 저항성 리드로부터의 큰 열 누출 없이 고온에서 차가운 자석으로 높은 전류를 전달하는 데 사용될 수 있다.
실용화된 초전도 전자석의 대부분은 니오브티타늄 (NbTi)으로 구성되어 있다. 이 재료의 전이 온도는 10,000이며, 4.2K 상태에서 약 12조(테슬라)의 임계 자장을 갖는다. 전이 온도 18,000의 니오븀-주석 (Nb3Sn)에서는 더 높은 임계 자장을 갖는 전자석을 만들 수 있으며, 4.2K 상태에서 25~30T라는 임계 자장까지 견딜 수 있다. 그러나, 니오븀-주석 (Nb3Sn)의 선재를 만드는 것은 어렵고 고가이므로, 일반적으로 니오븀-티타늄 (NbTi)이 사용되고 있다.
Nb3Sn의 임계 자장보다 더 높은 자장을 발생시키기 위해서는 구리 산화물 고온 초전도체 (이트륨계 초전도체나 비스무스계 초전도체) 또는 마그네슘 2붕소 등의 높은 전이 온도를 갖는 초전도체를 사용하는 연구가 진행되고 있다. 비스무스계 초전도체를 선재로 한 리니어용 초전도 전자석은 야마나시 실험선에서의 주행 시험에 채용되어 553km/h를 문제 없이 기록했다. 비스무스계 초전도체의 전이 온도는 약 110,000 (−163°C)이며, 초전도 코일은 약 20,000에서 냉동기에 의한 직접 냉각이 이루어져, 액화 헬륨이나 액체 질소와 같은 냉매가 없다. 마그네슘 2붕소 (MgB2)는 2000년에 초전도가 되는 것이 발견되었으며, 초전도 전자석 코일의 개발이 JR 도카이와 독립 행정 법인물질·재료 연구 기구 등의 공동으로 진행되고 있다.[29][30] 이 새로운 코일도 약 20,000 (−253°C)에서 초전도 상태의 유지가 가능하며, 냉동기에 의한 직접 냉각이 가능하고, 액화 헬륨에 의한 냉각의 필요가 없는 이점이 있다. 이트륨계 초전도체의 전이 온도는 약 90,000 (−183°C)이므로 비스무스계 초전도체보다 낮아 실용화도 늦어지고 있지만, 강자장 발생에는 유리하다고 여겨지고 있다.
3. 3. 도체 구조
초전도 자석의 코일 권선은 제2종 초전도체(예: 니오브-티타늄, 니오브-주석)의 와이어 또는 테이프로 만들어진다. 와이어 또는 테이프 자체는 필라멘트(두께 약 20 마이크로미터)의 초전도체를 구리 매트릭스에 넣어 만들 수 있다. 구리는 기계적 안정성을 더하고, 온도가 ''T''c 또는 전류가 ''I''c 이상으로 상승하여 초전도성이 손실될 경우 대전류에 대한 저저항 경로를 제공하기 위해 필요하다. 이러한 필라멘트는 이 유형의 초전도체에서 전류가 런던 침투 깊이로 제한되는 표면층에서만 흐르기 때문에 이처럼 작아야 한다(''표피 효과'' 참조). 코일은 와이어 파손 또는 인접한 턴 사이의 절연 파괴를 일으킬 수 있는 자기 압력과 로렌츠 힘에 견딜 수 있도록(또는 이에 대응하도록) 신중하게 설계해야 한다.어떤 원인에 의해 초전도 현상이 사라지는 경우(퀀칭)를 대비해, 급격하게 전기 저항이 발생하여 발열로 인해 초전도체가 손상될 우려가 있으므로, 보통 초전도 선재를 구리 모선 내에 매립해 놓는다. 이 구리선은 안전성을 높이기 위해 필요하며, 초전도 현상이 파괴되었을 때 초전도체를 대신하여 전기를 흘리는 역할을 한다. 일반적으로는 저항이 0인 초전도체에 전기가 흐르고 구리선에는 전류가 흐르지 않지만, 전류 변화가 있으면 구리에도 전류가 흘러, 반대로 발열의 원인이 된다.
액체 헬륨이 필요 없고 퀀칭의 가능성이 낮은 고온 초전도 벌크 자석을 사용한 기종으로 자석이 등장하고 있다.[26][27] 고온 초전도체는 선재화가 어려워 초전도 자석으로서의 실용화가 이루어지지 않았지만, 최근에는 REBCO에 의한 선재화가 가능해져 용도 확대를 기대하고 있다.
4. 작동 방식
초전도 전자석은 일반적인 전자석과 달리 초전도 현상을 이용하여 매우 강력한 자기장을 만들 수 있다. 초전도 전자석은 작동 방식에 있어서 전원 공급, 영구 모드, 퀀치(Quench) 등 몇 가지 특징을 가진다.
4. 1. 전원 공급
코일 권선에 전류를 공급하는 것은 고전류, 매우 낮은 전압의 직류 전원 공급 장치이다. 정상 상태에서 자석에 걸리는 전압은 공급 전선의 저항에 의해서만 발생하기 때문이다. 자석에 흐르는 전류의 변화는 매우 천천히 이루어져야 한다. 첫째, 전기적으로 자석은 큰 인덕터이므로 전류가 갑자기 변하면 권선에 큰 전압 스파이크가 발생하고, 더 중요한 것은 전류가 빠르게 변하면 와전류가 발생하고 권선에 기계적 응력이 가해져 퀀칭(아래 참조)을 유발할 수 있기 때문이다. 따라서 전원 공급 장치는 일반적으로 마이크로프로세서로 제어되며, 완만한 램프 방식으로 전류 변화를 점진적으로 수행하도록 프로그래밍되어 있다. 실험실 크기의 자석을 여자 또는 소자하는 데 일반적으로 몇 분이 걸린다.4. 2. 영구 모드
대부분의 초전도 자석은 코일을 초전도체 조각으로 단락시키는 방식으로 작동한다. 자석에 전원이 공급된 후, 코일은 닫힌 초전도 루프가 되고, 전원 공급 장치를 끌 수 있으며, 영구 전류가 몇 달 동안 흐르면서 자기장을 유지한다. 이러한 ''영구 모드''에서는 자기장의 안정성이 매우 높고, 코일에 전원을 공급하는 데 에너지가 필요하지 않다. 단락은 '영구 스위치'라고 하는 자석 내부의 초전도체 조각으로 만들어지며, 코일 끝에 연결되고 작은 히터에 부착된다.[5]자석을 처음 켤 때 스위치 와이어는 임계 온도 이상으로 가열되어 저항을 갖게 된다. 코일 자체는 저항이 없으므로 스위치 와이어를 통해 전류가 흐르지 않는다. 영구 모드로 전환하려면 원하는 자기장이 얻어질 때까지 전원 공급 전류를 조정한 다음 히터를 끈다. 영구 스위치는 초전도 온도로 냉각되어 코일을 단락시킨다. 그런 다음 전원 공급 장치를 끌 수 있다. 코일 전류와 자기장은 영원히 지속되지는 않지만, 일반적인 유도 시정수 (''L''/''R'')에 따라 천천히 감소한다.
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여기서 은 조인트 또는 플럭스 이동 저항이라는 현상으로 인한 초전도 코일의 작은 잔류 저항이다. 거의 모든 상업용 초전도 자석에는 영구 스위치가 장착되어 있다.
4. 3. 퀀치 (Quench)
퀀치는 초전도 코일 일부가 정상 상태(저항)로 전환되면서 발생하는 자석 작동의 비정상적인 종료 현상이다. 이는 자석 내부 자기장이 너무 크거나, 자기장 변화율이 커서 (와전류로 인한 구리 지지 매트릭스의 가열) 발생하는 경우, 또는 이 두 가지 요인이 복합적으로 작용하는 경우 발생한다. 드물게 자석 자체 결함으로 퀀치가 발생하기도 한다.퀀치 발생 시 해당 지점은 엄청난 전류로 인해 급격한 줄 가열을 겪고, 주변 영역의 온도를 상승시킨다. 이로 인해 주변도 정상 상태로 전환되어 더 많은 가열을 유발하는 연쇄 반응이 일어난다. 결국 전체 자석은 빠르게 정상 상태가 되는데, 초전도 코일 크기에 따라 수 초가 걸릴 수 있다. 이 과정은 자기장 내 에너지가 열로 변환되며 큰 굉음과 극저온 유체의 급격한 증발을 동반한다. 전류의 급격한 감소는 킬로볼트 유도 전압 스파이크 및 아크 현상을 유발할 수 있다. 국소 가열, 고전압, 큰 기계적 힘으로 부품이 손상될 수 있지만, 자석이 영구 손상되는 경우는 드물다.
실제 자석에는 퀀치 발생을 감지, 전류를 중단/제한하는 안전 장치가 설치된다. 대형 자석 퀀치 시, 증발하는 극저온 유체에 의해 형성된 불활성 증기가 주변 공기를 대체, 작업자에게 심각한 질식 위험을 야기할 수 있다.
CERN의 대형 강입자 충돌기(LHC) 초전도 자석은 2008년 가동 중 예상치 못한 퀀치를 겪어 여러 자석을 교체해야 했다.[6] LHC 초전도 자석에는 잠재적 파괴적 퀀치 완화를 위한 복잡한 퀀치 보호 시스템이 설치되어, 퀀치 이벤트 감지 시 고속 램핑 히터를 활성화한다. 쌍극 굽힘 자석은 직렬 연결, 각 전원 회로는 154개 개별 자석을 포함한다. 퀀치 발생 시 이 자석들의 전체 저장 에너지를 한 번에 버려야 하며, 이 에너지는 몇 초 만에 수백 도 섭씨로 가열되는 거대한 금속 덩어리인 덤프로 전달된다. 자석 퀀치는 바람직하지 않지만, 입자 가속기 작동 중에는 "상당히 일상적인 사건"이다.[7]
초전도 상태 소실(quench) 또는 급격한 상전도 전이가 주변 액체를 끓어오르게 하는 모습은 마치 달궈진 강철을 물/기름에 담그는 "담금질"(quench)과 유사하여 이러한 용어가 사용되었다.
퀀치 시 자기 에너지 방출은 매우 중요하다. 퀀치 발생 초기 단계 미세 전압 변화를 포착, 코일 내 대전류를 외부 회로로 유도/소비하도록 설계된다. 2008년 설계 단계 ITER는 토로이달 자장 코일만으로 100GJ(기가 줄) 에너지가 축적 가능하여, 진공 차단기, 교류 리액터, 콘덴서 등 대형 장치가 다수 필요, 전체 시스템이 상당히 대규모이다.
불규칙적 퀀치를 역이용, "특정 조건에서 초전도 자석 기능을 잃게" 하여 시스템 전체로서 특정 기능을 수행하는 아이디어도 있다. 코일건 일종인 "퀘치 건"은 초전도 전자기석 코일이 탄환 통과 시 발열로 초전도 상태를 붕괴, 코일건 제어 난관인 "탄환 통과에 맞춰 전자기석을 꺼야 탄환이 감속되지 않는다"는 문제를 해결하고자 한다(→코일건#용도·가능성). 그러나 이 방법은 "퀘치를 일으키는 조건 균일"해야 의도적 퀀치가 가능한데, 현재로서는 균일성 확보가 어려워 실용화 전망은 불투명하다.
5. 응용 분야
초전도 자석은 MRI 스캐너, 핵자기 공명 장비, 질량 분석기, 자기 분리 공정 및 입자 가속기에 널리 사용된다.[24]
일본국유철도와 이후 도카이 여객철도(JR Central)는 수십 년간 초전도 자기부상열차에 대한 연구 개발을 진행했고, 일본 정부는 JR Central에게 도쿄와 나고야를 연결하고 이후 오사카까지 연결하는 주오 신칸센 건설을 허가했다.
LHC 입자 가속기[24], ITER 핵융합로[25] 등 대형 과학 프로젝트에도 초전도 자석이 사용된다.
초전도 자석의 주요 응용 분야는 다음과 같다.
- '''핵자기 공명 분광법 (NMR), 자기 공명 영상법 (MRI)''': 초전도 자석은 매우 강하고 안정적인 자기장을 생성하여 고해상도 이미지를 얻는 데 사용된다. 장치는 대규모이며, 코일은 액체 헬륨으로 냉각되어 끓는점(4.2K) 이하로 유지된다. 액체 헬륨은 증발하여 손실되므로 정기적으로 보충해야 하며, 강력한 자기장을 위해서는 초유동 전이점(2.1K) 이하로 냉각한다.[31] 마그네슘 2붕소(MgB2)를 사용한 액체 헬륨이 필요 없는 장치도 실용화되었다.[31]
- '''자기 부상 철도''': 초전도 리니어에서는 차량의 부상 및 추진을 위해 초전도 전자석이 사용된다. 코일은 니오브-티타늄(NbTi) 합금으로 만들어지며, 액체 헬륨으로 냉각된다.
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