美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造有史以來最強(qiáng)加速器磁場

為了構(gòu)建下一代強(qiáng)大的質(zhì)子加速器，科學(xué)家們需要最強(qiáng)大的磁場來控制環(huán)形加速器當(dāng)中接近光速的粒子,。對于給定的環(huán)尺寸,，光束的能量越高，加速器的磁場需要越強(qiáng),，以保持光束的正常運(yùn)行,。

美國能源部費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家宣布：利用冷卻到4.5開爾文（或零下232.2攝氏度）加速器轉(zhuǎn)向磁鐵，他們獲得了有史以來最高的磁場強(qiáng)度,，創(chuàng)造了14.1特斯拉的世界紀(jì)錄,。此前，美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室在同一溫度下獲得了13.8特斯拉的紀(jì)錄,。

特斯拉單位符號為T,，它是磁通量密度（Wb/m²）或磁感應(yīng)強(qiáng)度的國際單位。這種磁場強(qiáng)度比那些冰箱磁貼強(qiáng)了一千多倍,。作為對比,，醫(yī)院用的磁振造影主磁鐵常為1.5 T及3 T，最高達(dá)4 T,；太陽黑子的磁場強(qiáng)度為 10 T。

這一成就是粒子物理學(xué)界的一個(gè)重要里程碑,。

美國費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室鳥瞰

科學(xué)家們正在研究未來對撞機(jī)的設(shè)計(jì),，可以作為自2009年以來在歐洲核子研究理事會實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行的強(qiáng)大的17英里大型強(qiáng)子對撞機(jī)的繼承者。這樣的機(jī)器需要加速質(zhì)子的能量比勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備高幾倍,。而這需要比大型強(qiáng)子對撞機(jī)更強(qiáng)大的環(huán)形磁場,，大約15特斯拉。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人,，科學(xué)家亞歷山大·澤洛賓說：“我們多年來一直在努力打破14特斯拉的磁場極限,，因此達(dá)到這一點(diǎn)是重要的一步?！?/p>

未來高能強(qiáng)子對撞機(jī)的成功在很大程度上取決于可行的高磁場磁體,，而國際高能物理界正在鼓勵(lì)對15特斯拉的鈮錫磁體進(jìn)行研究。

高強(qiáng)磁場設(shè)計(jì)的核心是一種稱為鈮錫的先進(jìn)超導(dǎo)材料，流過它的電流將產(chǎn)生磁場,。當(dāng)這種材料冷卻到非常低的溫度時(shí),，電流不會遇到阻力，所以它不會失去能量并且不會產(chǎn)生熱量,。所有電流都有助于產(chǎn)生磁場,。換句話說，你會為電子降壓獲得大量的磁力,。

磁場的強(qiáng)度取決于材料可以處理的電流強(qiáng)度,。與目前勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室磁鐵中使用的鈮鈦不同，鈮錫可以支持制造15特斯拉磁場所需的電流量,。但是,，當(dāng)加速器磁鐵內(nèi)部的巨大力作用時(shí)，鈮-錫材料很脆并且易于破裂,。

鈮錫磁體電纜

因此,，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種磁鐵設(shè)計(jì)，可以在線圈中抵抗線圈在運(yùn)行過程中遇到的每一個(gè)應(yīng)力和應(yīng)變,。數(shù)十根圓形導(dǎo)線以某種方式扭曲成電纜,，使其能夠滿足必要的電氣和機(jī)械規(guī)格。將這些電纜纏繞成線圈并在高溫下熱處理約兩周,，峰值溫度約為1200華氏度,，以在操作溫度下將鈮-錫線轉(zhuǎn)換成超導(dǎo)體。該團(tuán)隊(duì)將一些線圈包裹在一個(gè)強(qiáng)大的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)中,，該結(jié)構(gòu)由鐵軛和鋁夾以及不銹鋼表皮組成,，以穩(wěn)定線圈以抵抗可能使脆弱線圈變形的巨大電磁力，從而降低鈮錫線的性能,。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)小組考慮了所有已知的設(shè)計(jì)特征,，最終并獲得了回報(bào)。

對于大型強(qiáng)子對撞機(jī)以外的圓形對撞機(jī)的關(guān)鍵使能技術(shù)來說,，這是一項(xiàng)巨大的成就,。伯克利實(shí)驗(yàn)室的資深科學(xué)家，美國磁鐵開發(fā)計(jì)劃主任索倫·普雷斯特蒙說：“這是一個(gè)特殊的里程碑,，研究人員熱情地接受了這一結(jié)果,，他們將利用未來對撞機(jī)的光束來推動高能物理學(xué)的向前發(fā)展?！?/p>

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)正準(zhǔn)備沖擊15特斯拉的磁場強(qiáng)度,。

澤洛賓表示：“在設(shè)計(jì)這樣的磁體時(shí)需要考慮很多變量：磁場參數(shù)，超導(dǎo)電線和電纜,，機(jī)械結(jié)構(gòu)及其在裝配和操作過程中的性能,，磁鐵技術(shù)以及運(yùn)行期間的磁鐵保護(hù),。對于具有記錄參數(shù)的磁鐵，所有這些問題都更為重要,?！?/p>

在接下來的幾個(gè)月里，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃加強(qiáng)線圈的機(jī)械支撐,，然后在今年秋季重新測試磁鐵,。他們希望達(dá)到15特斯拉的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

他們將目光投向更高的未來,。澤洛賓說：“基于這個(gè)項(xiàng)目的成功和我們之前獲得的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),，，我們計(jì)劃推進(jìn)鈮錫磁磁場強(qiáng)度到17特斯拉,?！?/p>

澤洛賓說，他們并不止于此,?？茖W(xué)家們可以使用由新型先進(jìn)超導(dǎo)材料實(shí)現(xiàn)20特斯拉磁場。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室原名為美國國立加速器實(shí)驗(yàn)室,，主要研究領(lǐng)域?yàn)楦吣芪锢韺W(xué),、粒子物理學(xué)。1974年為紀(jì)念美國物理學(xué)家恩里科·費(fèi)米而更名為“費(fèi)米國立加速器實(shí)驗(yàn)室”,。

該項(xiàng)目得到了美國能源部科學(xué)辦公室的支持,。它是美國磁鐵開發(fā)計(jì)劃的重要組成部分，其中包括費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室,，布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室,，勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和國家高磁場實(shí)驗(yàn)室。