Fermilab opnår verdensrekordfeltstyrke for acceleratormagnet

For at bygge den næste generation af kraftfulde protonacceleratorer, forskere har brug for de stærkeste magneter, der er mulige for at styre partikler tæt på lysets hastighed omkring en ring. For en given ringstørrelse, jo højere stråleens energi, jo stærkere acceleratorens magneter skal være for at holde strålen på kurs.

Forskere ved Department of Energy's Fermilab har meddelt, at de opnåede den højeste magnetiske feltstyrke, der nogensinde er registreret for en acceleratorstyremagnet, satte verdensrekord på 14,1 teslas, med magneten afkølet til 4,5 kelvin eller minus 450 grader Fahrenheit. Den tidligere rekord på 13,8 teslas, opnået ved samme temperatur, blev holdt i 11 år af Lawrence Berkeley National Laboratory.

Det er mere end tusind gange stærkere magnet end køleskabsmagneten, der holder din indkøbsliste til dit køleskab.

Præstationen er en bemærkelsesværdig milepæl for partikelfysikfællesskabet, som studerer design til en fremtidig kollider, der kan tjene som en potentiel efterfølger til den stærke 17 kilometer lange Large Hadron Collider, der har arbejdet på CERN-laboratoriet siden 2009. Sådan en maskine ville have brug for at accelerere protoner til energier flere gange højere end dem på LHC.

Og det kræver styremagneter, der er stærkere end LHC'erne, omkring 15 teslas.

"Vi har arbejdet på at bryde 14-tesla-væggen i flere år, så at komme til dette punkt er et vigtigt skridt, "sagde Fermilab -videnskabsmanden Alexander Zlobin, der leder projektet på Fermilab. "Vi kom til 14,1 teslas med vores 15-tesla demonstratormagnet i sin første test. Nu arbejder vi på at trække endnu en tesla fra den."

Succesen for en fremtidig højenergi-hadronkollider afhænger afgørende af levedygtige højfeltmagneter, og det internationale højenergifysikfællesskab opmuntrer til forskning i retning af 15-tesla niobium-tin-magneten.

Kernen i magnetens design er et avanceret superledende materiale kaldet niobium-tin.

Elektrisk strøm, der strømmer igennem det, genererer et magnetfelt. Fordi strømmen ikke møder modstand, når materialet afkøles til meget lav temperatur, den mister ingen energi og genererer ingen varme. Hele strømmen bidrager til skabelsen af ​​magnetfeltet. Med andre ord, du får masser af magnetisk bang for den elektriske buk.

Magnetfeltets styrke afhænger af styrken af ​​den strøm, materialet kan håndtere. I modsætning til niobium-titanium, der bruges i de nuværende LHC-magneter, niobium-tin kan understøtte mængden af ​​strøm, der er nødvendig for at lave 15-tesla magnetfelter. Men niobium-tin er skrøbeligt og modtageligt for at bryde, når det udsættes for de enorme kræfter, der arbejder, inde i en acceleratormagnet.

Så Fermilab -teamet udviklede et magnetdesign, der ville forstærke spolen mod enhver belastning og belastning, det kunne støde på under drift. Flere dusin runde ledninger blev snoet til kabler på en bestemt måde, gør det muligt at opfylde de nødvendige elektriske og mekaniske specifikationer. Disse kabler blev viklet ind i spoler og varmebehandlet ved høje temperaturer i cirka to uger, med en spids temperatur på ca. 1, 200 grader Fahrenheit, at konvertere niobium-tin-ledningerne til superleder ved driftstemperaturer. Teamet indkapslede flere spoler i en stærk innovativ struktur sammensat af et jernok med aluminiumsklemmer og en rustfri stålhud for at stabilisere spolerne mod de enorme elektromagnetiske kræfter, der kan deformere de sprøde spoler, nedbryder dermed niobium-tin-trådene.

Fermilab -gruppen tog alle kendte designfunktioner i betragtning, og det gav pote.

Dette er en enorm præstation i en nøgle, der muliggør teknologi til cirkulære kolliderer ud over LHC, "sagde Søren Prestemon, en seniorforsker ved Berkeley Lab og direktør for det multilaboratoriske U.S. Magnet Development Program, som inkluderer Fermilab -teamet. "Dette er en enestående milepæl for det internationale samfund, der udvikler disse magneter, og resultatet er blevet entusiastisk modtaget af forskere, der vil bruge bjælkerne fra en fremtidig kollider til at skubbe grænserne for højenergifysik. "

Og Fermilab-teamet er gearet til at sætte deres præg på 15-tesla-territoriet.

"Der er så mange variabler at overveje ved design af en magnet som denne:feltparametrene, superledende ledning og kabel, mekanisk struktur og dens ydeevne under samling og drift, magnetteknologi, og magnetbeskyttelse under drift, "Zlobin sagde." Alle disse spørgsmål er endnu vigtigere for magneter med rekordparametre. "

I løbet af de næste par måneder, gruppen planlægger at forstærke spolens mekaniske støtte og derefter teste magneten igen i efteråret. De forventer at nå 15-tesla-designmålet.

Og de sætter deres sigte endnu højere for den videre fremtid.

"Baseret på succesen med dette projekt og de erfaringer, vi har lært, vi planlægger at fremme feltet i niob-tin-magneter til fremtidige kolliderer til 17 teslas, "Sagde Zlobin.

Det stopper ikke der. Zlobin siger, at de muligvis kan designe styremagneter, der når et felt på 20 teslas ved hjælp af specialindsatser lavet af nye avancerede superledende materialer.

Kald det et feltmål.

Projektet er støttet af Department of Energy Office of Science. Det er en vigtig del af U.S. Magnet Development Program, som inkluderer Fermilab, Brookhaven National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory og National High Magnetic Field Laboratory.