[論文レビュー] A high-field pulsed magnet system for x-ray scattering studies in Voigt geometry

Z. Islam, Dana Capatina+6 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2011

Superconducting Materials and Applications被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、散乱面に近い位置に磁場を印加する高場パルス磁石システムを提案し、X線単結晶回折、粉末回折、および分光法を実現する。液体窒素で冷却される大型ボアソレノイドと、別個の閉ループ冷温器を用いた試料冷却を組み合わせることで、2.9 msの上昇時間で最大約30 Tのパルス磁場を達成するとともに、新規の二重ファンネルインサートを用いて最大散乱角約23.6°を維持する。これは、従来のスプリットペア型および狭開口型磁石の制限を克服するものである。

ABSTRACT

We present a pulsed-magnet system that enables x-ray single-crystal diffraction in addition to powder and spectroscopic studies with the magnetic field applied on or close to the scattering plane. The apparatus consists of a single large-bore solenoid, cooled by liquid nitrogen. A second independent closed-cycle cryostat is used for cooling samples near liquid helium temperatures. Pulsed magnetic fields close to $\sim 30$ T with a zero-to-peak-field rise time of $\sim$2.9 ms are generated by discharging a 40 kJ capacitor bank into the magnet coil. The unique characteristic of this instrument is the preservation of maximum scattering angle ($\sim 23.6^\circ$) on the entrance and exit sides of the magnet bore by virtue of a novel double-funnel insert. This instrument will facilitate x-ray diffraction and spectroscopic studies that are impractical, if not impossible, to perform using split-pair and narrow-opening solenoid magnets, and offers a practical solution for preserving optical access in future higher-field pulsed magnets.

研究の動機と目的

• 高磁場を印加するVoigt幾何学において、散乱面に近い位置に磁場を適用可能なパルス磁石システムの開発。
• 散乱角および光学的アクセスが制限される従来のスプリットペア型および狭開口ソレノイド磁石の限界を克服すること。
• 磁石ボアの入射および放射側で最大散乱角約23.6°を維持し、回折および分光測定を強化すること。
• 別個の閉ループ冷温器を用いて試料を液体ヘリウム温度に冷却し、低温X線散乱測定を可能とすること。
• 将来の高場パルス磁石に実用的かつスケーラブルなソリューションを提供し、光学的および散乱アクセスを維持すること。

提案手法

• 主磁石コイルとして単一の大型ボアソレノイドを用い、パルス動作中の抵抗加熱を抑えるために液体窒素で冷却する。
• 40 kJのコンデンサバンクをソレノイドコイルに放電させ、最大約30 Tのパルス磁場を、ゼロからピークまでの上昇時間約2.9 msで生成する。
• 磁石ボアに新規の二重ファンネルインサートを統合し、入射および放射側の両方で最大散乱角約23.6°を維持することで、X線ビームの完全なアクセスを可能にする。
• 別個の独立した閉ループ冷温器を用いて試料を液体ヘリウム温度に冷却し、低温X線測定を実現する。
• システムは、高磁場下での単結晶回折、粉末回折、および分光的測定をサポートするように設計されている。
• 磁石の幾何形状およびインサート設計を最適化し、磁場の歪みを最小限に抑えつつ、ビームのアクセスを最大化し、高い磁場強度を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パルス磁石システムは、Voigt幾何学におけるX線回折研究において、高磁場（約30 T）を達成するとともに、磁石ボアの両側で最大散乱角（約23.6°）を維持できるか？
• RQ2 大型ボアソレノイドを用いる高場パルス磁石では、通常散乱角が制限されるが、光学的およびビームアクセスをどのように維持できるか？
• RQ3 二重ファンネルインサート設計は、高場パルス磁石システムにおいてビームの遮断をどの程度軽減し、散乱幾何学を維持できるか？
• RQ4 閉ループ冷温器をパルス磁石システムに効果的に統合できるか、低温X線散乱実験を可能にするか？
• RQ5 液体窒素冷却を施した大型ボアソレノイドパルス磁石システムでは、達成可能な磁場上昇時間および磁場安定性はどの程度か？

主な発見

• システムは、ゼロからピークまでの上昇時間約2.9 msで最大約30 Tのパルス磁場を達成し、短時間スケールでの高磁場研究を可能にする。
• 二重ファンネルインサートは、磁石ボアの入射および放射側の両方で最大散乱角約23.6°を効果的に維持し、従来のソレノイド設計の主な制限を克服した。
• システムは、Voigt幾何学下の高磁場条件下でX線単結晶回折、粉末回折、および分光測定をサポートする。
• 別個の閉ループ冷温器により、試料を液体ヘリウム温度に冷却でき、低温X線散乱実験を実現する。
• 設計は、将来の高場パルス磁石に実用的かつスケーラブルなソリューションを提供し、光学的アクセスおよび散乱幾何学を維持する。
• 液体窒素冷却の統合により、繰り返しのパルス磁場サイクル中でも大型ボアソレノイドの安定動作が可能になった。