A series of articles on “Nobel Prizes in Science & Technology” - Part 15

 Nam Châm Có Tính Siêu Dẫn Dùng Trong MRI

 

Trần Trí Năng

 (University of Minnesota & Ecosolar International)

Kỹ thuật chụp cộng hưởng từ (ảnh hóa cộng hưởng từ, Magnetic Resonance Imaging hay MRI) dựa vào hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân Nuclear Magnetic Resonance hay NMR. Đây là một phương pháp thu h́nh dựa vào lượng nước bên trong của các cơ quan trong cơ thể con người. Cộng hưởng từ được thực hiện do sự hấp thụ (absorption) và phóng xuất (emission ) năng lượng nằm trong tần số vô tuyến ( RF) của phổ điện từ (electromagnetic spectrum).  Khác với năng lượng dùng trong việc chụp X quang như chụp h́nh cắt lớp CT với năng lượng phóng xạ tia X, năng lượng dùng chụp MRI là năng lượng vô tuyến điện, v́ thế  không gây độc hại cho cơ thể. Nên ghi nhận ở đây là tần số sóng radio  hay sóng vô tuyến vào khoảng 107 Hz  trong khi đó tầng số của tia X là 1019 Hz. V́ năng lượng tỉ lệ với tần số qua hằng số Plank, năng lượng dùng trong tia X và CT nằm trong khoảng một ngh́n tỷ (trillion) lần năng lượng  dùng trong MRI. Một con số đáng kể về liều lượng khác nhau giữa hai kỹ thuật quan trọng trong y khoa điện tử: CT và MRI!  

1. Cấu tạo của máy chụp cộng hưởng từ (MRI) 

H́nh 1. Mô h́nh cấu tạo máy chụp cộng hưởng từ (MRI). Máy này gồm có những thành phần chính: ṿng xoắn sóng radio (radio frequency coil), ṿng xoắn tạo građiên (gradient coils): thỏi nam châm (magnet) chính để tạo từ trường, bộ phận quét (scanner), và bàn di chuyển bệnh nhân (Google Image). [1] 

Bạn đọc có thể t́m thấy từ H́nh 1, ba thành phần chính của máy chụp MRI là: ṿng xoắn sóng radio, thỏi nam châm chính và ṿng xoắn tạo građiên. Ṿng xoắn radio (RF coils) dùng để truyền đạt và nhận tín hiệu RF và thường có cấu trúc LC (inductance-capacitance). Thỏi nam châm dùng để dàn hàng hướng quay của prôton với một từ trường rất mạnh, khoảng 0.5- 3 Tesla (5.000 – 30.000 Gauss; 1 Tesla= 10.000 Gauss hay 10.000 G). Trong một số ứng dụng, con số này có thể lên đến 10 Tesla hay lớn hơn nữa. Chức năng của những bộ phận khác trong máy chụp MRI: ṿng xoắn građiên tạo những từ trường biến đổi, cung cấp tín hiệu liên quan đến vị trí (positional information) dùng một từ trường nhỏ hơn nhiều so với nam châm chính; RF dùng để truyền đạt và thu nhận tín hiệu; thuật số nhằm biến đổi tín hiệu analog nhận được thành digital; bộ sắp xếp dăy xung số  dùng để kiểm soát thời gian građiên RF, bộ số hóa (digitizer) và máy tính  dùng phép biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform hay FFT) để tạo h́nh, lưu trữ tŕnh tự xung (pulse sequences), và hiển thị kết quả đạt được.

Như đă tŕnh bày ở những bài viết trước, máy quét MRI (MRI scanners) dựa vào sự kiện rằng mô cơ thể chứa rất nhiều nước và v́ thế protons (1H nuclei) sẽ sắp hàng dưới ảnh hưởng của từ trường. Mỗi phân tử nước gồm có hai protons. Khi bệnh nhân nằm trong từ trường mạnh của máy quét, mômen từ trung b́nh của nhiều protons nằm sắp hàng với hướng của từ trường. Ḍng điện sóng radio (radio frequency current) được bật lên trong một khoảng thời gian ngắn, gây ra sự biến đổi từ trường. Khi từ trường nằm đúng tần số- cũng được biết với cái tên tần số cộng hưởng (resonance frequency), một số protons nằm sắp hàng với hướng từ trường  hấp thụ năng lượng RF và “spin flip”  đến mức năng lượng cao hơn.  Sau khi điện từ trường tử RF (RF electromagnetic field) bị tắt đi, những spin này trở lại trạng thái cân bằng nhiệt động học (thermodynamic equilibrium energies), và từ hóa (bulk magnetization) sắp hàng trở lại với từ trường tĩnh (static magnetic field). Trong suốt quá tŕnh hồi giăn (relaxation) này, năng lượng RF hấp thụ gây nên “spin flip” được phóng ra như tín hiệu sóng radio và được đo với ṿng xoắn nhận tín hiệu (receiver coils). 

Thông tin về nguồn gốc của tín hiệu trong không gian ba chiều có thể đạt được bằng cách áp đặt thêm một từ trường građiên (magnetic field gradient) trong lúc quét. Những từ trường građiên này sẽ tăng thêm tác động trên toàn vật thể đo đạt và có thể dùng để quyết định tần số của tín hiệu sản xuất bởi nguyên tử ở mỗi vùng không gian trong cơ thể,  nhằm mă hóa thông tin về những vùng liên quan. Hệ thống građiên  được truyền động bởi bộ khuếch đại ḍng điện (powerful current amplifiers) và nhiệt phát ra được hạ xuống bởi hệ thống làm lạnh bằng nườc (water chillers) đặt ở pḥng bên cạnh pḥng có máy chụp MRI

H́nh ảnh 3D trong MRI có thể quay dọc theo một phương hướng tùy nghi nào đó và điểu chỉnh bởi bác sĩ hay trợ tá để có thể quan sát rơ nét hơn những thay đổi nhỏ trong cấu tạo bên trong cơ thể. Những trường (fields) này được tạo nên bằng cách  cho ḍng điện chạy qua ṿng xoắn tạo gradient (gradient coils), làm cho sức mạnh của từ trường  biến đổi  tùy thuộc vào vị trí trong nam châm. Thêm vào đó, protons của những lớp mô khác nhau sẽ trở về trạng thái quân b́nh với những độ hồi giăn (relaxation rates)  khác nhau.  

2. Các loại nam châm dùng trong máy chụp MRI

Thành phần lớn nhất và quan trọng nhất trong MRI là thỏi nam châm. Có ba loại nam châm (hay thỏi từ): nam châm điện trở (resistive magnet), nam châm vĩnh cửu (permanent magnet) và nam châm có tính siêu dẫn (superconducting magnet):

 (i) Nam châm điện trở (resistive magnets) có cấu trúc giống thỏi nam châm có tính siêu dẫn, nhưng không dùng heli/helium lỏng . Sự khác nhau này đ̣i hỏi một lượng điện rất lớn ở nam châm điện trở, và v́ thế loại nam châm điện trở  chỉ có thể dùng để cung cấp một từ trường ở mức độ khoảng 0.3 T hay nhỏ hơn;

(ii) Nam châm vĩnh cửu (permanent magnets) cung ứng một từ trường nhất định, nhưng nam châm này rất nặng đến nỗi khó có thể chế tạo một thỏi nam châm đủ để duy tŕ một từ trường lớn.

(iii) Nam châm có tính siêu dẫn (superconducting magnet). Trong số ba loại nam châm, nam châm có tính siêu dẫn được sử dụng nhiều nhất hiện nay trong máy chụp MRI. Một điểm thú vị cần ghi nhận ở đây là từ ngày nam châm siêu dẫn được khám phá hơn 100 năm nay với nhiều giải Nobel trong lănh vực này, cho đến thời điểm này, ứng dụng thương mại phổ biến nhất của nam châm siêu dẫn vẫn nằm trong kỹ thuật cộng hưởng từ MRI. 

3. Nam châm có tính siêu dẫn dùng trong MRI

Thỏi nam châm này nằm dọc theo chiều ngang của cái ống lớn h́nh trụ gọi là “bore” hay bánh rán. Hầu hết những máy chụp MRI dùng thỏi nam châm siêu dẫn có từ trường lớn.  Cấu trúc của những thỏi nam chân siêu dẫn gồm có nhiều ṿng xoắn (coils) hay cuộn dây (windings) để cho ḍng điện chạy qua và tạo một từ trường lớn (khoảng 2 Tesla hay cao hơn). Để duy tŕ một từ trướng lớn, người ta cần một lượng năng lượng lớn tạo nên bởi hiện tượng siêu dẫn (hay giảm điện trở của cuộn dây xuống gần zero). Điều này đ̣i hỏi cuộn dây phải tiếp tục được giữ trong heli lỏng (liquid helium) ở nhiệt độ 452.4 độ dưới zero Fahrenheit (269.1 dưới zero Celsius).  

3.1 Nhiệt độ dùng trong nam châm có tính siêu dẫn

V́ nhiều nơi trên thế giới dùng những đơn vị đo nhiệt độ khác nhau, để tiện lợi trong việc so sánh, chúng tôi xin tóm tắt dưới đây sự liên quan giữa độ Celcius, độ Fahrenheit và độ Kelvin:

Thí dụ nhiệt độ tuyệt đối là -273 độ Celcius , - 459.4 độ Fahrenheit  và 0 độ Kelvin, dựa vào công thức nằm ở phía dưới cùng của Bảng 1.

T(F)= (T (C) x 9/5) +32 (từ độ Celcius sang độ Fahrenheit)

T(K)= T(C) + 273  hay (T(C)+273.15 (chính xác hơn)

(từ độ Celcius sang độ Kelvin) 

Bảng 1. Liên quan giữa độ Celcius, độ Fahrenheit và độ Kelvin

 

3.2 Hợp chất niobi-titan  và những hợp chất liên kết với niobi khác

Bảng 2 tóm lược những chất có tính siêu dẫn trong Bảng Tuần Hoàn. Các chất nằm trong khung màu vàng có tinh siêu dẫn điện, trong khi đó helium (trong khung màu đỏ gạch) là chất siêu lỏng (superfluid). Con số nằm phía dưới tên các chất chỉ định nhiệt độ chuyển tiếp (transition temperature). Thí dụ nhiệt độ chuyển tiếp của beri (beryllium hay Be) là 0.026 K trong khi đó nhiệt độ chuyển tiếp của thủy ngân (mercury hay Hg) là 4.153 K. trên nhiệt độ tuyệt đối (absolute temperature).  

 

Bảng 2. Tóm lược những chất trong Bảng Tuần Hoàn có tính siêu dẫn

(A. Carrington, University of Bristol). 

Những chất siêu dẫn thường dùng có thể phân chia thành hai loại: hơp chất niobi-titan (niobium-titanium alloys) – có đặc tính cơ khí tốt và v́ thế thuận lợi trong việc chế tạo và vận hành; tuy nhiên tính siêu dẫn không được như mong muốn và hợp chất niobi-thiếc (niobium-tin Nb3Sn) th́ gịn và khó vận dụng; tuy nhiên tính chất siêu dẫn khá tốt.

Khỏang 75-80% của những sợi dây siêu dẫn dùng hiện nay làm từ hợp chất niobi-titan kết nối với đồng. Hợp chất siêu dẫn này được chế tạo bằng cách lồng những thỏi nhỏ của hợp chất niobi-titan có đường kính 0.3 cm vào trong ống đồng. Tiếp theo, những ống đồng này được xếp chồng lên nhau thành những thanh (billet). Những thanh vật liệu này được ép ra thành những que nhỏ (rods)  có đường kính  khoảng 2.5 cm;  rồi được kéo dài thành dây (wires) với những kích cỡ thích hợp. Những sợi dây hợp chất cỡ nhỏ với 0.02 cm đường kính có thể chế tạo thường xuyên hàng ngày bằng cách này. Tiếp theo công đoạn này, những sợi dây được xoắn lại với nhau đễ giảm sự tổn thất công suất (power loss)  khi truyền tải ḍng điện AC và để cải thiện sự ổn định tính từ của sợi dây. 

Sau cùng những sợi dây này được bao phủ bằng một lớp cách điện. Những sợi dây cũng có thể được xử dụng trực tiếp, hay đan lại với những sợi dây khác để  làm dây cáp dùng trong  những ứng dụng có quy mô lớn hơn.

Mặc dù được phổ biến trong nhiều ứng dụng, tính chất của chất siêu dẫn niobi-titan vẫn c̣n nhiều hạn chế. Nhiệt độ tới hạn (critical temperature) 9 K, gần với nhiệt độ của môi chất làm lạnh (refrigerant)– hêli lỏng ở 4.2 K. Một hạn chế khác là tính siêu dẫn của niobi-titan sẽ bị hủy hoại ở 10 Tesla, giới hạn việc sử dụng chất này vào những  từ trường nhỏ hơn.

Một hợp chất khác, niobi thiếc (niobium-tin hay Nb3Sn) có nhiệt độ giới hạn 18 K và có thể chịu đựng một từ trường 21 Tesla. Yếu điểm của chất này là gịn, dễ đứt  và khó vận dụng. Hơn nữa, v́ tính nhiệt điện kém, sẽ có những vần đề trong việc duy tŕ trạng thái siêu dẫn ổn định.

Mặc dù với những đặc tính siêu dẫn tốt, niobium-tin  dưới dạng thức cuộn băng hay ruy-băng vẫn không thích ứng trong một số ứng dụng; và độ nhiệt điện (thermal conductivity) vẫn không hoàn toàn giải quyết được bằng cách  thêm vào những lớp đồng hay nhôm. Magnesium diboride (MgB2) cũng dần dần được xem như một chất siêu dẫn có triển vọng được dùng trong máy quét MRI hay những máy móc có tính  từ  v́ nhiệt độ chuyển đổi của những chất này cao, khoảng 39 K [2].  

3.3 Thỏi nam châm siêu dẫn với hơp chất niobium titanium

Hiện tại, hợp chất siêu dẫn dùng thỏi nam châm trong MRI là niobi-titan (niobium-titanium hay NbTi, có tính siêu dẫn loại II)). Hợp chất này được khám phá ra vào năm 1962 bởi T. G. Berlincourt và R. R. Hake của hăng Atomics International [3].

Máy quét MRI và quang phổ kế (spectrometers) với từ trường lớn hơn 10 T thường dùng hợp chất niobium-tin (Nb3Sn).

Niobium-tin thường được chế tạo dưới dạng cuộn băng (tape) hay dải ruy-băng (ribbons), với nhiều lớp với những chất khác nhau. Một thí dụ như: phương pháp bắt đầu với chất thiếc (tin) phát tán vào dải ruy-băng niobi (chất niobi mềm, dẻo dai, dễ kéo sợi!) để tạo một lớp bề mặt niobium-tin.  Copper và aluminium được xen kẻ chung quanh những dải ruy-băng để cải thiện thêm độ dẫn nhiệt.  Cuộn băng siêu dẫn đạt được có thể có một độ dày 0.1 mm và vài milimét bề rộng. Sau đó những lớp thép (stainless steel) được thêm vào để gia tăng độ bền cơ khí (mechanical strength) của cuộn băng.

Từ trường này thường nằm trong khoảng từ 0.5 T đến 2 Tesla (= 5.000- 20.000 G), lớn hơn từ trường của trái đất (0.5 Gauss) rất nhiều. V́ thế ảnh hưởng từ trường của trái đất trong việc gửi và thu nhận tín hiệu của MRI được xem như là không đáng kể! Thường th́ máy chụp MRI dùng nam châm có tính siêu dẫn (superconducting magnet). Nam châm này gồm có nhiều ṿng xoắn hay ṿng đây; ở đó ḍng điện chạy qua để tạo một từ trường khoảng cỡ 2.0 T. V́ để duy tŕ một lượng từ trường lớn như thế cần đ̣i hỏi một năng lượng rất lớn, và năng lượng này có thể thực hiện với chất siêu dẫn nơi mà điện trở của đường dây có thể giảm xuống c̣n zero. Để thực hiện điều này, những sợi dây được giữ ngay trong helium lỏng (liquid helium) ở nhiệt độ 452.4 dưới zero Fahrenheit (hay 269.1 dưới O C). Phần lạnh này được đặt trong môi trường chân không.

Thông thường, cấu trúc của tḥi nam châm dùng trong máy chụp MRI gồm có những thành phần sau như được biểu hiện ở H́nh 3:

- H́nh cắt ngang của đường dây dùng nhiều filamăng niobi-titan cực nhỏ được đặt trong một cái ṇng bằng đồng (H́nh 3a);

- Nhiều lớp chân không và lớp chắn được thiết lập theo một dạng thức giống như cái b́nh thủy; 

- Mỗi đường dây  gồm có nhiều sợi filamăng niobi titan cực nhỏ (microfilaments) được đặt vào trong một cái ṇng bằng đồng (copper core). Ṇng này có hai nhiệm vụ: i) chống đỡ và bảo vệ những sợi filamăng mỏng manh; và ii) dùng như là một đường dẫn ḍng điện lớn v́ có điện trở thấp.

H́nh 3a:  H́nh cắt ngang của đường dây có nhiều filamăng NbTi cực nhỏ được đặt trong một cái ṇng bằng đồng; H́nh 3b và 3c: Lớp cuộn xoắn NbTiCu được quấn theo dạng solenoid (solenoid winding) trên một cái vỏ làm bằng hợp chất cao phân tử được làm vững chắc thêm hơn với thủy tinh  ( glass-reinforced polymer) hay trên một ống h́nh trụ bằng nhôm. Những cuộn xoắn này chia thành 8 vùng để gia tăng tính đồng nhất và giảm thiểu trường phụ (fringe fields) chung quanh; và H́nh 3d: H́nh cắt ngang biểu hiện cấu trúc của một  thỏi nam chân siêu dẫn. Pḥng chứa liquid helium có màu màu xanh nước. Những cuộn xoắn chính dùng trong việc bảo trợ (không có trong h́nh) nằm gần những cuộn xoắn chêm ở hai đầu của máy quét [4].

-Những sợi dây (wires) thường được quấn quanh một  cái vỏ (shell) làm bằng hợp chất cao phân tử được làm vững chắc thêm với thủy tinh  (glass-reinforced polymer)  hay trên một ống h́nh trụ bằng nhôm ngăn cách nhau bởi lớp nhựa epôxy (epoxy) và lớp chắn (dividers). Thay v́ dùng một khối cuộn xoắn, tính đồng nhất được cải thiện bằng cách chia khối cuộn xoắn chính thành 6-10 cuộn nhỏ hơn (windings); và những cuộn nhỏ này  được giữ cách nhau bằng những khoảng cách quy định (H́nh 3b và 3c)).

Những cuộn xoắn ốc chính (main target windings) được đặt trong hêli lỏng (liquid helium)  (4°K) ) trong một cấu trúc được biết với cái tên bộ điều nhiệt cryo (cryostat). Đây là một cấu trúc với nhiều buồng (compartments) có tác dụng như một cái b́nh thủy (Thermos bottle). B́nh này chẳng những chứa những đường dây nam châm chính (main magnet windings) mà c̣n chứa  những kênh dẫn hêli lỏng. B́nh gồm có nhiều lớp cách điện và chân không để bảo vệ những cuộn xoắn khỏi bị  ảnh hưởng từ nhiệt bên ngoài.  Thông thường bộ điều chỉnh nhiệt cryo (cryostat)  gồm có cuộn xoắn dùng như miếng đệm siêu dẫn  (superconducting shim coils) để cải thiện tính đồng nhất  và những cuộn xoắn dùng như màn chắn (active shielding coils) để giảm thiểu trường phụ chung quanh (fringe fields). Vỏ bọc bên ngoài (external casing) của bộ phận giữ nhiệt cryo cũng như  kênh dẫn bên trong và bên ngoài của buồng chứa hêli  thường được làm bằng chất thép phi từ tính (non-magnetic stainless steel) . Tường của pḥng chân không được cấu tạo hoặc bằng chất thép phi từ tính hay bằng chất cao phân từ pôlime được tăng cường thêm với thủy tinh. Độ dày điển h́nh của tường chắn (cold shields) vào khoảng 3-10 mm và được làm bằng chất có độ phát xạ thấp và độ dẫn nhiệt  cao ( low emissivity/high thermal conductivity) như chất nhôm (Hỉnh 3d).

Song song với thỏi nam châm chính, c̣n có ba loại nam châm građiên (gradient magnets) dùng bên trong máy chụp MRI. Từ trường của những tḥi nam châm này rất nhỏ so với từ trường chính; thường nằm trong khoảng 180- 270 G. Trong khi nam châm chính tạo một từ trường lớn, ổn định chung quanh bệnh nhân, nam châm građiên tạo nên một từ trường biến đổi, cho phép những bộ phận khác nhau trong cơ thể có thể được quét (scanned).  Một loại nam châm nữa là cuộn xoắn dùng để truyền đạt sóng vô tuyến đến cơ thể bệnh nhân. Có những cuộn xoắn khác nhau cho các phần khác nhau trong cơ thề (tham khảo những bài viết trước!): chẳng hạn như đầu gối, vai, cườm tay, đầu, cổ v.v… 

4. MRI là ứng dụng thương mại phổ biến nhất của thỏi nam châm có tính siêu dẫn Nhưng áp dụng phổ biến nhất trong kỹ nghệ hiện nay có lẽ là thỏi nam châm siêu dẫn dùng trong máy chụp MRI. Người viết xin lược dịch phần chính của một bài viết liên quan có tựa đề “Superconductivity’s First Century” của Pradeep Haldar và Pier Abetti đăng trong IEEE Spectrum số 3 năm 2011[5].

Vào năm 1848, Lord Kelvin, một khoa học gia nổi tiếng người Anh, xác định nhiệt độ tuyệt đối là -273 C. Ông nghĩ rằng ở nhiệt độ này, tất cả hạt electron sẽ đông lại, biến chất dẫn điện thành chất cách điện hoàn hảo. Một số nhà khoa học khác th́ suy nghĩ ngược lại: họ cho rằng  điện trở sẽ giảm dần với sự suy giảm của nhiệt độ;  khi đến nhiệt độ tuyệt đối, điện trở sẽ biến mất. Sự thật th́ cả hai lối suy nghĩ này đều không đúng!

Heik Kamerlingh Onnes, giáo sư vật lư của Leiden University ở Hà Lan, đă t́m ra được câu trả lời chính xác vào năm 1911. Ông này đo điện trở  của thủy ngân kết đông xuống tới nhiệt độ rất thấp chỉ cách nhiệt độ tuyệt đối khoảng vài độ. Ông t́m thấy một hiện tướng khá thú vi: điện trở tiếp tục giảm khi nhiệt độ giảm xuống cho đến 4.3 K trên nhiệt độ tuyệt đối; lúc đó, điện trở giảm xuống một cách đột ngột xuống c̣n zero. Lúc đầu, Onnes nghĩ là có lẽ do mạch điện bị chạm. Phải mất một thời gian, ông mới khám phá ra đây là hiện tượng siêu dẫn (superconductivity). Ông nhận được giải Nobel về sự khám phá quan trọng này [6].

Sau đó, nhiều nghiên cứu được thực hiện để t́m hiểu nguồn gốc cơ học lượng tử (quantum-mechanical origins) của hiện tượng siêu dẫn. Mặc dù lănh vực siêu dẫn này đă mang lại nhiều giải Nobel, ứng dụng của hiện tượng siêu dẫn trên thị trường  tương đối không mấy thành công, ngoại trừ trong công nghệ MRI!

Onnes  kỳ vọng là với hiện tượng siêu dẫn, người ta có thể chuyển tải điện năng (electrical power)  qua đường dây mà không bị mất mát điện năng. Nhưng thực tế th́ rất ít vật liệu trở nên siêu dẫn ở nhiệt độ trên 4 K và những vật liệu này sẽ mất tính siêu dẫn nếu có ḍng điện lớn chạy qua. Thế nên trong ṿng năm thập niên sau đó, hầu hết những nghiên cứu đều đặt trọng tâm vào việc t́m một vật liệu có thể chuyển tải được một ḍng điện lớn mà vẫn c̣n duy tŕ được tính siêu dẫn. Nhưng đây không phải là yếu tố cần thiết duy nhất; những nhân tố khác như việc t́m chất siêu dẫn với giá thành rẻ, có thể tạo thành những đường dây mỏng và tương đối bền cũng là những đ̣i hỏi có tính quan trọng không kém.

Năm 1962, một số nhà nghiên cứu ở Westinghouse Research Laboratories ở Pennsylvania đă  khai thác dây siêu dẫn dùng trong thương mại đầu tiên dùng hợp kim niobi-titan (niobium - titanium).  Không lâu sau đó, một số nhà nghiên cứu ở Rutherford Appleton Laboratory bên Anh cải thiện chất hợp kim này bằng cách bọc thêm với đồng (copper cladding).  Ở thời điểm này, ứng dụng có triển vọng nhất là những thỏi từ khổng lồ những nhà vật lư dùng trong máy gia tốc hạt (particle accelerators), bởi v́ các thỏi nam châm siêu dẫn có thể cho từ trường lớn hơn từ trường thông thường. Lúc đó, một số chuyên gia của GE (General Electric) ở Schenectady, NY, đă thành công trong việc thiết lập thỏi nam châm đầu tiên trên thế giới với 10 Tesla dùng dây siêu dẫn (superconducting wire). Mặc dù với thành công này, ứng dụng thương mại gặp phải khó khăn v́ giá thành khá đắt. Cũng ở thời điểm này, một số chuyên gia kỹ thuật ở GE và những nơi khác bắt đầu triển khai những ứng dụng khác dùng chất siêu dẫn như máy phát điện lớn, động cơ và bộ biến thế.  Nhưng ứng dụng dùng chất  siêu dẫn trong những hệ thống máy móc trong kỹ nghệ th́ chưa h́nh thành được. Vấn đề nằm ở chỗ những máy móc hiện có dựa trên những kỹ thuật thuần thục và đă có những công xuất rất hữu hiệu. Riêng về động cơ, máy phát điện và bộ biến thế thực tế thuộc loại sản phẩm thương mại ở đó độ tin cậy và giá thành thấp là những yếu tố người tiêu thụ quan tâm nhất. Ngoài yếu tố giá thành, nhiều hăng trên thế giới  đă mất địa vị độc quyền mà họ có lúc trước. V́ thế, phần lớn những hăng này miễn cưỡng trong việc đầu tư một số tiền lớn vào hạ tầng cơ sở, nhất là những sản phẩm không bảo đảm được lợi tức nhanh. Nên điều mà những hăng này ít muốn làm là  đầu tư vào những ứng dụng táo bạo dựa vào chất siêu dẫn như đây cáp siêu dẫn, máy phát điện hay bộ biến thế siêu dẫn. V́ thế có lẽ ứng dụng của chất siêu dẫn bị giới hạn vào những ứng dụng như MRI, nơi mà thỏi nam châm có từ trường lớn (7 Tesla hay nhiều hơn nữa) khó có thể thực hiện được với những thỏi nam châm chế tạo với kỹ thuật khác.

Thế nên chỉ c̣n lại một ứng dụng có tính cách độc đáo là đường dây cáp siêu dẫn dùng trong việc truyền tải điện ở những vùng  đường dây điện trên không không thể dùng được- chẳng hạn như  vùng có lượng nước rộng lớn hay những vùng có mật độ dân số cao. Mặc dù có triển vọng có những lợi thế có tính cách hấp dẫn như gia tăng hiệu xuất, những thiết bị  cần thiết và  các thùng lạnh (cooling vessels) quá đắt làm cho việc thiết lập những đường dây cáp (cables) với tổn phí hợp lư không thể thực hiện được. Thêm vào đó, giới điều hành ở GE có quan điểm cho là thị trường của sản phẩm dùng chất siêu dẫn  quá nhỏ và triển vọng trong tương lai không đáng tin cậy.

Những nhà nghiên cứu ở GE không v́ thế mà bỏ cuộc! Một trong những người này là Carl Rosner. Ông này thành lập một hăng spin-off có tính cách độc lập vào năm 1971 lấy tên là Intermagnetics General Corp., hay gọi tắc là IGC ở Lantham , NY. Hăng này chế tạo và bán thỏi nam châm dùng trong pḥng thí nghiệm và cũng nhận tiền nghiên cứu R&D từ chính phủ Mỹ. Hăng spin-off mới này trở nên có lời ngay từ lúc mới thành lập!

Sự du nhập của MRI và thỏi nam chân có từ trường lớn  trong những ứng dụng y khoa đă thay đổi con toán của giới điều hành ở GE. Họ biết là sự rủi ro về kỹ thuật trong việc  dùng thỏi nam châm có tính siêu dẫn trong máy chụp MRI thấp- thêm vào đó, IGC –một spin-off từ GE- cũng đă chế tạo những sản phẩm tương tự. Họ cũng biết là GE có thể lợi dụng sự hiện diện lâu dài của hăng này (GE) trong lănh vực y khoa điện tử với nhiều sản phẩm về tia X, mắt chụp cắt lớp vi tính CT; đây có thể là cơ hội tuyệt hảo cho GE! Thế nên vào năm 1984, GE cho ra đời máy chụp MRI đầu tiên và đến cuối thập niên 80’s, GE đă có lắp đặt hơn 1,000 máy chụp MRI trên toàn thế giới. GE mua dây niobi-titan (niobium- titanium) từ IGC để tự chế tạo thỏi nam châm dùng trong máy chụp MRI.  Đồng thời, IGC cũng bắt đầu chế tạo nam châm dùng trong MRI và bán cho những hăng cạnh tranh với GE. Và với một ngân quỹ 5 triệu đô-la, IGC đă thành công  trong việc chế tạo máy chụp MRI có chất lượng tương đương với GE, Hitachi, Philips, Siemens và Toshiba. Nhưng IGC thiếu hệ thống tiếp thị của những hăng lớn trên, nên cuối cùng đành trở lại dịch vụ chính của hăng: chế tạo thỏi nam cham siêu  dẫn dùng trong MRI và bán cho những hăng xưởng nào có nhu cầu cần dùng. Khách hàng chính nhất của IGC lúc bấy giờ là Philips. 

5. Lời kết

Trong ṿng hơn 100 năm từ ngày GS Heik Kamerlingh Onneskhám phá tính siêu dẫn, nghiên cứu về vật liệu siêu dẫn đă đưa đến nhiều giải thưởng Nobel với triển vọng trong nhiều ứng dụng trong khoa học và công nghệ: 

(i) Máy Large Hadron Collider (LHC) với một năng lượng cao dùng để tạo ra máy gia tốc mạnh để nghiên cứu nguồn gốc và sự hiện diện của vật chất như Quarks và Higgs;

(ii) Tàu chạy trên đệm từ Magnetic Levitation (hay Maglev) với tốc độ cao dựa vào hệ thống điện-động lực học (hiệu ứng Meissner) bằng cách tạo ra những từ trường khác nhau từ những thỏi nam châm siêu dẫn từ con tàu và đường rầy;

(iii) cáp điện, máy phát điện, và máy biến áp siêu dẫn.

Nhưng, cho đến bây giờ sản phẩm thương mại thành công và phổ biến nhất là thỏi nam châm siêu dẫn dùng như thành phần chính và đóng vai tṛ quan trọng nhất trong máy chụp MRI. Có nhiều lư do về sứ phát triển này, nhưng lư do chính nhất là h́nh như chỉ có thỏi nam châm siêu dẫn có thể cung ứng hữu hiệu và thuận lơi trong việc cung cấp từ trường lớn hơn 7 Tesla hay cao hơn nữa. Liên quan đến  sự phát triển  này, những nhà khoa học và nhân viên kỹ thuật và giới lănh đạo của GE đă đóng vai tṛ tiên phong trong việc đưa thỏi nam châm siêu dẫn trong MRI, một công cụ y khoa thịnh hành trong nhiều bệnh viện trên thế giới.

Trong số tới chúng tôi sẽ giới thiệu và thảo luận một số giải Nobel liên quan trực tiếp đến việc ứng dụng tính siêu dẫn trong cộng đồng khoa học và kỹ thuật. 

 

6. Tài liệu tham khảo

[1] https://science.howstuffworks.com/mri.htm 

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Superconducting_magnet

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Niobium%E2%80%93titanium

[4] http://mriquestions.com/superconductive-design.html

[5] IEEE Spectrum March 2011, page 50

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Heike_Kamerlingh_Onnes

 

December 22, 2021

(University of Minnesota & Ecosolar International)