Sådan træner Large Hadron Collider sine magneter

Når man træner til et maraton, løbere skal gradvist øge distancen på deres løbeture. De ved, at deres løbeture i de tidlige dage af træning ikke definerer, hvad de en dag vil være i stand til; de bygger et stærkt fundament, som vil hjælpe dem med at nå deres fulde potentiale.

De billængde magneter, der styrer partikler rundt om Large Hadron Collider, gennemgår en lignende proces. Forskere må presse dem til deres grænser, tid og igen, indtil de kan håndtere enorme mængder elektrisk strøm.

"Disse magneter er store tekniske vidundere, "siger forskeren Kathleen Amm, direktør for Magnet Division ved det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory i New York. "Men én ting, vi ikke kan gøre, er at sætte dem direkte ind i en speeder. De skal trænes."

Videnskabsfolk, ingeniører og teknikere hos Brookhaven træner nu magneter til en endnu sværere opgave:at dirigere og fokusere partikler i en næste generations accelerator, den tændte High-Luminosity LHC på CERN. Heldigvis disse magneter kan ikke kun modstå træningen, men får også evnen til at føre endnu mere strøm end før.

Tåler lynnedslag

Ved at bruge en ny type superledende ledning baseret på niobium-3-tin, Nb3Sn, HL-LHC acceleratormagneterne vil være i stand til at lede omkring 40 % mere elektrisk strøm end den tidligere iteration af magneter til LHC. Hver vil bære omkring 16, 500 ampere - omtrent lige så meget som et lille lyn. Den gennemsnitlige bærbare, til reference, bruger mindre end 5 ampere.

LHC-magneter er lavet af materialer, der adskiller sig fra dem, der bruges til at lave en bærbar computer på en vigtig måde:De er superledende. Det betyder, at de kan føre en elektrisk strøm uden at miste energi. De producerer ingen varme, fordi de har nul elektrisk modstand.

Men der er en hage:Både de gamle og nye LHC-magneter opnår kun egenskaben superledning, når de afkøles til ekstremt lave temperaturer. Inde i LHC, de holdes ved 1,9 kelvin (minus 456,25 Fahrenheit), lige over det absolutte nulpunkt.

Selv det er ikke altid nok:En lille ufuldkommenhed kan få en magnet til pludselig at miste sine superledende egenskaber i en proces kaldet quenching.

"En quench betyder, at en del af superlederen bliver normal, " siger videnskabsmand Sandor Feher, der fører tilsyn med HL-LHC magnettest og træning. "Dens temperatur begynder at stige, og denne varme spredes til andre dele af magneten."

En quench kan være ødelæggende. "Når en superleder mister sine superledende egenskaber, det går fra at have nul elektrisk modstand til en meget høj elektrisk modstand, " siger Amm. "I de tidlige dage [af superlederudvikling] magneter ville blive udbrændt på grund af denne hurtige overgang."

Men denne overophedning betyder ikke altid en katastrofe. Under magnettræning, kontrollerede quenches inducerer nyttige strukturelle ændringer på det mikroskopiske niveau, der forbedrer en magnets ydeevne.

En magnets anatomi

Da han var 12 år gammel, Martel Walls vandt en lokal kunstkonkurrence med en detaljeret og realistisk tegning af et retshus i Bloomington, Illinois. "Min tegning endte inde i retsbygningen, " siger han. "Siden da, Jeg vidste, at jeg ville arbejde inden for et felt, der ville udnytte mit øje for detaljer og fast hånd."

Walls' øje for komplekse former førte ham til sidst til sit job som ledende tekniker med ansvar for udvikling af magnetspoler på Fermi National Accelerator Laboratory i Illinois, hvor hold både producerer og tester magneter på vej til HL-LHC.

De magneter, som Walls og hans team samler, består af 450 meter (ca. 1480 fod) Nb3Sn superledende kabel, der er viklet omkring to sammenlåsende støttestrukturer. Spolerne er omkring 4,5 meter (næsten 15 fod) lange. Hver centimeter kabel inspiceres både før og under viklingsprocessen.

Spolerne varmes derefter op til 665 grader Celsius (1229 grader Fahrenheit) over en 11-dages varmecyklus; en proces, der omdanner det almindelige niobium-tin-kabel til en superleder, men gør den også utrolig skør. "Det bliver lige så skrøbeligt som ukogt spaghetti, " siger Walls.

Håndter dem så forsigtigt som muligt, teknikere lodder flere komponenter på spolerne, før de gennemblødes i epoxy. De sidste spoler sendes til Lawrence Berkeley National Laboratory i Californien, hvor flere spoler er monteret sammen og derefter pakket ind i et stærkt stålhus. De bliver derefter sendt til Brookhaven for at begynde deres træningsregime.

Når Brookhaven-testholdet forbinder magneterne til elektricitet, spolerne skubber og trækker i hinanden med enorme kræfter på grund af de høje magnetfelter.

Selv en lille bevægelse i størrelsesordenen kun 10 til 20 mikron - omkring bredden af ​​et menneskehår - kan være nok til at generere en quench.

Træningsregime

Tidligt, ingeniører indså, at en velbygget magnet kunne huske disse mikroskopiske bevægelser. Når en ustabil komponent skifter til en mere behagelig position, komponenten bliver så normalt siddende. Resultatet er en magnet, der er mere robust, næste gang den tændes.

Under træning, videnskabsmænd og ingeniører øger gradvist den elektriske strøm, der cirkulerer i magneten. Hvis en del af magneten kommer til at bevæge sig eller frigive energi, det gør det i et kontrolleret laboratoriemiljø snarere end et svært tilgængeligt underjordisk acceleratorkompleks.

Magnettræning på Brookhaven begynder med at nedsænke magneten i et bad af flydende helium. Når det er afkølet, testholdet introducerer og øger gradvist den elektriske strøm.

Så snart der er slukket, elektriciteten ledes automatisk ud af magneten. Det flydende heliumbad fordamper, bærer varmen fra slukningen med sig. Efter hver slukning, heliumet bliver opsamlet for at blive genbrugt, og processen starter igen.

"Vores mål er tre quenches per magnet om dagen, " siger Feher. "Vi starter omkring 5 eller 6 om morgenen og arbejder på skift til 6 eller 7 om aftenen."

Lidt efter lidt, Brookhaven testhold udsætter magneten for højere og højere strømme.

"Under magnet R&D, vi ser måske 50 til 60 quenches, " siger Amm. "Når vi går i produktion, målet er at se et minimum antal quenches, omkring 14 eller 15, før vi når det ønskede feltniveau."

Når træningen er afsluttet – dvs. magneten kan fungere ved den ønskede strøm uden at slukke - den sendes tilbage til Fermilab for yderligere udstyr og test. De endelige magneter vil derefter blive sendt til CERN.

Ifølge Amm, design, at bygge og forberede magneter til LHC's opgradering er mere end anvendt fysik:Det er en form for håndværk.

"Det er her, kunsten kommer ind sammen med videnskaben, " siger hun. "Du kan så meget videnskab og teknik, men i sidste ende skal du bygge og teste en masse magneter, før du forstår det søde punkt."