为了构建下一代强大的质子加速器,科学家们需要最强大的磁场来控制环形加速器当中接近光速的粒子。对于给定的环尺寸,光束的能量越高,加速器的磁场需要越强,以保持光束的正常运行。美国能源部费米实验室的科学家宣布:利用冷却到4.5开尔文(或零下232.2摄氏度)加速器转向磁铁,他们获得了有史以来最高的磁场强度,创造了14.1特斯拉的世界纪录。此前,美国劳伦斯伯克利国家实验室在同一温度下获得了13.8特斯拉的纪录。


费米实验室获得有史以来最强加速器磁场,创造14.1T的世界纪录


特斯拉单位符号为T,它是磁通量密度(Wb/m2)或磁感应强度的国际单位。这种磁场强度比那些冰箱磁贴强了一千多倍。作为对比,医院用的磁振造影主磁铁常为1.5 T及3 T,最高达4 T;太阳黑子的磁场强度为 10 T。


这一成就是粒子物理学界的一个重要里程碑。


费米实验室获得有史以来最强加速器磁场,创造14.1T的世界纪录


美国费米国家加速器实验室鸟瞰


科学家们正在研究未来对撞机的设计,可以作为自2009年以来在欧洲核子研究理事会实验室运行的强大的17英里大型强子对撞机的继承者。这样的机器需要加速质子的能量比劳伦斯伯克利国家实验室的设备高几倍。而这需要比大型强子对撞机更强大的环形磁场,大约15特斯拉。


费米实验室负责人,科学家亚历山大·泽洛宾说:“我们多年来一直在努力打破14特斯拉的磁场极限,因此达到这一点是重要的一步。”


未来高能强子对撞机的成功在很大程度上取决于可行的高磁场磁体,而国际高能物理界正在鼓励对15特斯拉的铌锡磁体进行研究。


高强磁场设计的核心是一种称为铌锡的先进超导材料,流过它的电流将产生磁场。当这种材料冷却到非常低的温度时,电流不会遇到阻力,所以它不会失去能量并且不会产生热量。所有电流都有助于产生磁场。换句话说,你会为电子降压获得大量的磁力。


磁场的强度取决于材料可以处理的电流强度。与目前劳伦斯伯克利国家实验室磁铁中使用的铌钛不同,铌锡可以支持制造15特斯拉磁场所需的电流量。但是,当加速器磁铁内部的巨大力作用时,铌-锡材料很脆并且易于破裂。


费米实验室获得有史以来最强加速器磁场,创造14.1T的世界纪录


铌锡磁体电缆


因此,费米实验室团队开发了一种磁铁设计,可以在线圈中抵抗线圈在运行过程中遇到的每一个应力和应变。数十根圆形导线以某种方式扭曲成电缆,使其能够满足必要的电气和机械规格。将这些电缆缠绕成线圈并在高温下热处理约两周,峰值温度约为1200华氏度,以在操作温度下将铌-锡线转换成超导体。该团队将一些线圈包裹在一个强大的创新结构中,该结构由铁轭和铝夹以及不锈钢表皮组成,以稳定线圈以抵抗可能使脆弱线圈变形的巨大电磁力,从而降低铌锡线的性能。


费米实验小组考虑了所有已知的设计特征,最终并获得了回报。


对于大型强子对撞机以外的圆形对撞机的关键使能技术来说,这是一项巨大的成就。伯克利实验室的资深科学家,美国磁铁开发计划主任索伦·普雷斯特蒙说:“这是一个特殊的里程碑,研究人员热情地接受了这一结果,他们将利用未来对撞机的光束来推动高能物理学的向前发展。“


费米实验室团队正准备冲击15特斯拉的磁场强度。


泽洛宾表示:“在设计这样的磁体时需要考虑很多变量:磁场参数,超导电线和电缆,机械结构及其在装配和操作过程中的性能,磁铁技术以及运行期间的磁铁保护。对于具有记录参数的磁铁,所有这些问题都更为重要。”


在接下来的几个月里,该团队计划加强线圈的机械支撑,然后在今年秋季重新测试磁铁。他们希望达到15特斯拉的设计目标。


他们将目光投向更高的未来。泽洛宾说:“基于这个项目的成功和我们之前获得的经验教训,,我们计划推进铌锡磁磁场强度到17特斯拉。”


泽洛宾说,他们并不止于此。科学家们可以使用由新型先进超导材料实现20特斯拉磁场。


费米实验室原名为美国国立加速器实验室,主要研究领域为高能物理学、粒子物理学。1974年为纪念美国物理学家恩里科·费米而更名为“费米国立加速器实验室”。该项目得到了美国能源部科学办公室的支持。它是美国磁铁开发计划的重要组成部分,其中包括费米实验室,布鲁克海文国家实验室,劳伦斯伯克利国家实验室和国家高磁场实验室。


文章来源: 技术力量

我来说几句

不吐不快,我来说两句
最新评论

还没有人评论哦,抢沙发吧~