Tre nationale laboratorier opnår rekordmagnetisk felt for acceleratorfokuseringsmagnet

I en flerårig indsats, der involverer tre nationale laboratorier fra hele USA, forskere har med succes bygget og testet en kraftig ny magnet baseret på et avanceret superledende materiale. Den otte tons tunge enhed - omtrent lige så lang som en semi-lastbil trailer - satte en rekord for den højeste feltstyrke, der nogensinde er registreret for en acceleratorfokuserende magnet og hæver standarden for magneter, der opererer i højenergipartikelkollidere.

Energiministeriets Fermilab, Brookhaven National Laboratory og Lawrence Berkeley National Laboratory designet, bygget og testede den nye magnet, en af ​​16 de vil sørge for drift i High-Luminosity Large Hadron Collider på CERN-laboratoriet i Europa. De 16 magneter, sammen med yderligere otte produceret af CERN, tjene som "optik" for ladede partikler:De vil fokusere stråler af protoner til en lille, uendelig lille plet, når de nærmer sig kollision inde i to forskellige partikeldetektorer.

Den ingrediens, der adskiller disse amerikansk-producerede magneter, er niobium-tin - et superledende materiale, der producerer stærke magnetiske felter. Disse vil være de første niobium-tin quadrupole magneter nogensinde til at fungere i en partikelaccelerator.

Ligesom den nuværende Large Hadron Collider, dens efterfølger med høj lysstyrke vil smadre stråler af protoner, der krydser rundt i ringen på 17 mil tæt på lysets hastighed. HL-LHC vil give et ekstra slag:Det vil give 10 gange så mange kollisioner, som er mulige ved den nuværende LHC. Med flere kollisioner kommer flere muligheder for at opdage ny fysik.

Og maskinens nye fokuseringsmagneter vil hjælpe den med at opnå det spring i leveret lysstyrke.

"Vi har demonstreret, at denne første quadrupole magnet opfører sig succesfuldt og i overensstemmelse med designet, baseret på den flerårige udviklingsindsats, der er muliggjort af DOE-investeringer i denne nye teknologi, " sagde Fermilab videnskabsmand Giorgio Apollinari, leder af U.S. Accelerator Upgrade Project, som leder det USA-baserede fokuseringsmagnet-projekt.

"Det er en meget banebrydende magnet, virkelig på kanten af ​​magnetteknologi, " sagde Brookhaven National Laboratory videnskabsmand Kathleen Amm, Brookhaven-repræsentanten for Accelerator Upgrade Project.

Det, der gør det vellykket, er dets imponerende evne til at fokusere.

Fokus, magneter, fokus

I cirkulære kollidere, to stråler af partikler løber rundt i ringen i modsatte retninger. Et øjeblik før de når kollisionspunktet, hver stråle passerer gennem en række magneter, der fokuserer partikelstrålerne til en lille, uendelig lille plet, på samme måde som linser fokuserer lysstråler til et punkt. Nu pakket så tæt med partikler, som magneterne kan få dem – smadre! – støder strålerne sammen.

Den videnskabelige frugtbarhed af det smash afhænger af, hvor tæt strålen er. Jo flere partikler, der trænger sig ind i kollisionspunktet, jo større er chancen for partikelkollisioner.

Du får de tætpakkede stråler ved at skærpe magnetens fokus. En måde at gøre det på er at udvide objektivet. Overvej lys:

"Hvis du forsøger at fokusere lyset fra solen ved hjælp af et forstørrelsesglas på et lille punkt, du vil have et mere "kraftigt" forstørrelsesglas, " sagde Ian Pong, Berkeley Lab-forsker og en af ​​kontrolkontocheferne.

Et større forstørrelsesglas fokuserer flere af solens stråler end et mindre. Imidlertid, lysstrålerne ved den ydre kant af linsen skal bøjes mere skarpt for at nærme sig det samme brændpunkt.

Eller overvej en gruppe bueskytter, der skyder pile mod et æble:Flere pile vil holde sig, hvis bueskytterne skyder ovenfra, under og på begge sider af æblet, end hvis de er placeret på én post, skyde fra samme position.

Analogen til forstørrelsesglasstørrelsen og bueskyttearrayet er magnetens blænde - åbningen af ​​passagen, som strålen tager, når den løber gennem magnetens indre. Hvis partikelstrålen får lov til at starte bredt, før den fokuseres, flere partikler vil ankomme til det tilsigtede fokuspunkt - midten af ​​partikeldetektoren.

Det amerikanske hold udvidede LHC-fokuseringsmagnetens blænde til 150 millimeter, mere end det dobbelte af den nuværende blænde på 70 millimeter.

Men selvfølgelig, en bredere blænde er ikke nok. Der er stadig spørgsmålet om rent faktisk at fokusere strålen, hvilket betyder at fremtvinge en dramatisk ændring i strålens størrelse, fra bred til smal, når strålen når kollisionspunktet. Og det kræver en usædvanlig stærk magnet.

"Magneten skal presse strålen kraftigere end LHC's nuværende magneter for at skabe den nødvendige lysstyrke til HL-LHC, " sagde Apollinari.

For at imødekomme efterspørgslen, videnskabsmænd designet og konstruerede en muskulær fokuseringsmagnet, beregner det, ved den nødvendige blænde, det ville skulle generere et felt på mere end 11,4 teslaer. Dette er højere end det nuværende 7,5-tesla-felt genereret af de niobium-titanium-baserede LHC-quadrupol-magneter. (For acceleratoreksperter:HL-LHC integrerede lysstyrkemål er 3, 000 omvendte femtobarn.)

I januar, tre-lab-teamets første HL-LHC-fokuseringsmagnet leveret over målpræstationen, opnår et 11,5-tesla felt og kører kontinuerligt med denne styrke i fem timer i træk, ligesom det ville fungere, når High-Luminosity LHC starter op i 2027.

"Disse magneter er de i øjeblikket højest feltfokuserende magneter i acceleratorer, som de eksisterer i dag, " sagde Amm. "Vi presser virkelig til højere felter, som giver os mulighed for at komme til højere lysstyrker."

Den nye fokuseringsmagnet var en triumf, takket være niobium-tin.

Niobium-tin for sejren

Fokuseringsmagneterne i den nuværende LHC er lavet med niobium-titanium, hvis iboende ydeevnegrænse generelt anerkendes at være nået ved 8 til 9 teslaer i acceleratorapplikationer.

HL-LHC har brug for magneter med omkring 12 teslaer, omkring 250,- 000 gange stærkere end Jordens magnetfelt på dens overflade.

"Så hvad gør du? Du skal gå til en anden dirigent, " sagde Apollinari.

Acceleratormagneteksperter har eksperimenteret med niobium-tin i årtier. Elektrisk strøm, der går gennem en niobium-tin-superleder kan generere magnetiske felter på 12 teslaer og højere - men kun hvis niobium og tin, når de er blandet og varmebehandlet for at blive superledende, kan forblive intakt.

"Når de først er reageret, det bliver en smuk superleder, der kan bære en masse strøm, men så bliver den også skør, " sagde Apollinari.

Berømt skørt

"Hvis du bøjer det for meget, selv en lille smule, når det først er et reageret materiale, det lyder som cornflakes, " sagde Amm. "Du hører faktisk det gå i stykker."

I årenes løb, videnskabsmænd og ingeniører har fundet ud af, hvordan man producerer niobium-tin-superleder i en form, der er nyttig. At garantere, at den ville holde som stjernen i en HL-LHC-fokusmagnet, var en anden udfordring.

Berkeley, Brookhaven og Fermilab-eksperter fik det til at ske. Deres monteringsproces er en delikat, involveret operation afbalancering af niobium-tins skrøbelighed mod de massive ændringer i temperatur og tryk, det udsættes for, da det bliver den primære aktør i en fremtidig kolliderende magnet.

Processen starter med ledninger indeholdende niobiumfilamenter, der omgiver en tinkerne, leveret af en ekstern producent. Ledningerne bliver derefter fremstillet til kabler ved Berkeley på den helt rigtige måde. Holdene i Brookhaven og Fermilab vikler derefter disse kabler til spoler, omhyggelig med at undgå at deformere dem for meget. De opvarmer spolerne i en ovn i tre temperaturtrin, en behandling, der tager mere end en uge. Under varmebehandlingen reagerer tinnet med filamenterne og danner det sprøde niobium-tin.

Efter at være blevet reageret i ovnen, niobium-tin er nu på sit mest skrøbelige, så det håndteres med omhu, mens holdet helbreder det, at indlejre det i en harpiks for at blive et fast stof, stærk spole.

Den spole er nu klar til at fungere som en af ​​fokusmagnetens fire poler. Processen tager flere måneder for hver pol, før den fulde magnet kan samles.

"Fordi disse spoler er meget kraftige, når de får strøm, der er en masse kraft, der prøver at skubbe magneten fra hinanden, " sagde Pong. "Selv om magneten ikke deformeres, på lederniveau vil der være en belastning, som niobium-tins ydeevne er meget følsom over for. Håndteringen af ​​stress er meget, meget vigtigt for disse højfeltsmagneter."

Varmebehandling af magnetspolerne - et af de mellemliggende trin i magnetens samling - er også en subtil videnskab. Hver af de fire spoler i en HL-LHC-fokuseringsmagnet vejer omkring et ton og skal varmebehandles jævnt - indvendigt og udvendigt.

"Du skal kontrollere temperaturen godt. Ellers vil reaktionen ikke give os den bedste præstation, " sagde Pong. "Det er lidt ligesom at lave mad. Det er ikke kun for at opnå temperaturen i den ene del af spolen, men i hele spolen, ende til ende, top til tå, det hele."

Og de fire spoler skal justeres præcist efter hinanden.

"Du har brug for meget høj feltpræcision, så vi er nødt til at have meget høj præcision i, hvordan de justerer disse for at få god magnetfeltens ensartethed, et godt quadrupol felt, " sagde Amm.

Den fine teknik, der går ind i de amerikanske HL-LHC-magneter, er blevet skærpet gennem årtier, med et udbytte, der giver energi til partikelacceleratorsamfundet.

"Dette vil være den første brug af niobium-tin i acceleratorfokuserende magneter, så det bliver ret spændende at se en så kompleks og sofistikeret teknologi blive implementeret i en rigtig maskine, " sagde Amm.

"Vi bar altid vægten af ​​ansvar, håbet i de sidste 10, 20 år - og hvis du vil gå længere, 30, 40 år – med fokus på disse magneter, om dirigentudvikling, alt arbejdet, " sagde Pong. "Endelig, vi kommer til det, og vi vil virkelig gerne sikre os, at det bliver en varig succes."

De mange bevægelige dele af et acceleratorsamarbejde

At sikre varig succes har lige så meget at gøre med den operationelle koreografi, som det gør med den udsøgte teknik. At udføre logistik, der strækker sig over år og et kontinent, kræver omhyggelig koordinering.

"Planlægning og tidsplan er meget vigtigt, og de er ret udfordrende, " sagde Pong. "F.eks. transportkommunikation:Vi skal sørge for, at tingene er godt beskyttet. Ellers kan disse dyre ting blive beskadiget, så vi er nødt til at forudse problemer og forhindre dem. Forsinkelser har også indflydelse på hele projektet, så vi er nødt til at sikre, at komponenter sendes til destinationen inden for en rettidig tidsplan."

Amm, Apollinari og Pong anerkender, at teamet med tre laboratorier har imødekommet udfordringerne dygtigt, fungerer som en velsmurt maskine.

"Teknologierne udviklet hos Fermilab, Brookhaven og Berkeley var med til at gøre den originale LHC til en succes. Og nu igen, disse teknologier fra USA hjælper virkelig CERN med at få succes, " sagde Amm. "Det er et drømmehold, og det er en ære at være en del af det."

Det USA-baserede Accelerator Upgrade Project for HL-LHC, hvoraf fokuseringsmagnetprojektet er ét stykke, startede i 2016, vokser ud af et forgænger F&U-program fra 2003, der fokuserede på lignende acceleratorteknologiprojekter.

Fra nu og frem til omkring 2025, de amerikanske laboratorier vil fortsætte med at bygge de store, store rør, begyndende med fine tråde af niobium og tin. De planlægger at begynde at levere i 2022 den første af 16 magneter, plus fire reservedele, til CERN. Installationen vil finde sted over de efterfølgende tre år.

"Folk siger, at 'touchdown' er et meget smukt ord til at beskrive landingen af ​​et fly, fordi du har en enorm metalgenstand, der vejer hundredvis af tons, ned fra himlen, at røre en betonlandingsbane meget forsigtigt, " sagde Pong. "Disse magneter er ikke så forskellige fra det. Vores magneter er massive superledende enheder, fokuserer små usynlige partikelstråler, der flyver tæt på lysets hastighed gennem boringen. Det er ret magisk."

Magien starter i 2027, når High-Luminosity LHC kommer online.

"Vi laver i dag det arbejde, som fremtidige unge forskere vil bruge om 10 eller 20 år fra nu til at rykke grænsen for menneskelig viden, ligesom det skete, da jeg var en ung forsker her på Fermilab, ved hjælp af Tevatron, " sagde Apollinari. "Det er en generationsskifte af stafetten. Vi skal lave maskinerne til de kommende generationer, og med denne teknologi, selvfølgelig er det meget, vi kan gøre for den fremtidige generation."