Novel Lorentz Force Velocimetry system based on bulk high-temperature superconductors

Vakaliuk, Oleksii GND

Die Lorentzkraftanometrie (LKA) ist eine Technik zur Messung der Geschwindigkeit von elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten. Sie ist eine nicht-invasive Messtechnik, die besonders vorteilhaft für heiße, opake und aggressive Elektrolyte ist. Die LKA wurde für Salzwasser als Modellelektrolyt erfolgreich mit Dauermagnetanordnungen (DM) ohne magnetischen Rückschluss, aber mit gezielter Flussführung (Halbach-Array) und hochpräzisen Kraftmesssytemen (KMS) auf Basis der interferometrischen Messung der Auslenkung des Magnetsystems und der elektromagnetischen Kompensation der Auslenkung demonstriert. Um die LKA für schwach leitfähige Elektrolyte zu erweitern, ist eine Magnetfelderzeugung von > 1 T erforderlich. Ein Hochtemperatursupraleiter-Bulk (Bulk-HTS) kann ein Magnetfeld von mehreren Tesla erzeugen und somit die LKA-Leistung deutlich verbessern und die bisher genutzten DM ersetzen. Diese Arbeit zielt deshalb darauf ab, Bulk-HTS's in der LKA unter Berücksichtigung der kritischen Verbindungen zwischen der Funktionalität von Bulk-HTS's und dem KMS einzusetzen und ein LKA-System mit Bulk-HTS's zu entwerfen, herzustellen und zu testen. Die Ergebnisse wurden für die Entwicklung eines neuartigen LKA-System auf Basis eines Bulk-HTS als Magnetfeldquelle und einer Torsionswaage als Kraftmesssystem genutzt. Dieses System - Superconducting High-precision Lorentz Force Measurement System (Super-LOFOS) - wurde dann erfolgreich aufgebaut und getestet. Bei Kühlung mit flüssigem Stickstoff bzw. Helium werden auf der Stirnfläche des Super-LOFOS magnetische Flußdichten von B_T = 100 mT bzw. B_T = 1,2 T erzeugt. Damit erweitert die vorliegende Arbeit die Einsetzbarkeit der LKA für gering elektrisch leitende und langsam strömende Fluide auf (σ · u) = 1-10) S s⁻¹, sowie macht hochpräzise Kraftmessungen bis 1 nN unter kryogenen Bedingungen möglich. Darüber hinaus stellt das entwickelte Messsystem Super-LOFOS einen tragbaren Magnetfeldgenerator dar, der für NMR- und MRT-Technologien, Drug Targeting, und magnetische Trennungsverfahren einsetzbar ist.

Lorentz Force Velocimentry (LFV) is a technique to measure the velocity of electrically conducting fluids. The advantage of LFV is that this non-invasive measurement method is particularly well suited for use on hot and opaque liquids as well as aggressive electrolytes. LFV for saline water - the model electrolyte - was successfully demonstrated using permanent magnet (PM) configurations without an iron yoke magnetic flux guide, but with targeted magnetic flux guidance (Halbach-array) and a high-precision force measurement system (FMS) based on interferometric measurements of magnet system (MS) deflection and electromagnetic force compensation balance. To extend the LFV for weakly conductive electrolytes, it is required to generate a magnetic field over 1 T. A bulk high-temperature superconsuctors (HTSs) can generate the magnetic field of several teslas and therefore can significantly enhance LFV performance, replacing previously used PM. This thesis aims to integrate the bulk HTS into the LFV considering the critical links between the functionality of bulk HTS and the FMS with the end goal to design, manufacture, and test a novel LFV system using bulk HTS. The obtained results were used to develop a novel LFV system using bulk HTS as magnetic field generator and a torsion balance as FMS. This LFV system - Superconducting High-precision Lorentz Force Measurement System (Super-LOFOS) - was then successfully designed, manufactured, and tested. Using nitrogen and helium cryogenic liquids, the magnetic flux density of B_T = 100 mT and B_T = 1.2 T were generated at the Super-LOFOS front surface, respectively. This thesis also extends the LFV applicability for weakly-conducting and slow-flowing electrolytes (σ · u) = (1-10) S s⁻¹ as well as enabling high-precision force measurements up to 1 nN under cryogenic temperatures. Furthermore, the developed Super-LOFOS provides a portable magnetic field generator, which can be used for NMR and MRI technologies, magnetic separation, and drug targeting applications.

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Vakaliuk, O., 2020. Novel Lorentz Force Velocimetry system based on bulk high-temperature superconductors. Ilmenau.
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