再次創造世界紀錄：費米實驗室實現加速器磁體14.5特斯拉場

費米實驗室實現加速器磁體14.5特斯拉場

費米實驗室的磁鐵團隊又創造了加速器磁體的世界紀錄，這是該實驗室在2019年創造了紀錄後，再次打破了這一紀錄。

在2020年6月的一次測試中，由美國能源部費米實驗室（Fermilab）磁體團隊設計並製造的演示磁體實現了加速器轉向偶極磁體14.5特斯拉的場強，超過了他們之前14.1T的記錄。

這是滿足未來強子對撞機的苛刻磁體要求邁出的重要一步。如果建成，這樣的對撞機將比歐洲核子研究中心的17英裡圓周大型強子對撞機大4倍，，後者在7.8T的轉向場下運行。

未來對撞機設計的最小場強定在14到16T之間。

費米實驗室科學家亞歷山大·茲洛賓說：「我們的下一個目標是打破15特斯拉場強，將加速器轉向磁體的最大場強推進到17T甚至更高，這可以顯著提高磁體淬火性能並優化成本。達到這些目標將為未來高能對撞機提供堅實的基礎。」

科學家們需要儘可能強的磁鐵來引導接近光速的粒子

為了建造下一代強大的質子加速器，科學家們需要儘可能強的磁鐵來引導接近光速的粒子圍繞一個環。對於給定的環形尺寸，光束的能量越大，加速器的磁鐵就需要越強，才能使光束保持航向。

磁鐵設計的核心是一種叫做鈮錫的先進超導材料。電流流經該材料時，會產生一個磁場。因為當材料被冷卻到非常低的溫度時，電流不會遇到任何阻力，所以它不會損失能量，也不會產生熱量。所有的電流都有助於磁場的產生。換句話說，科學家們可以獲得大量的磁能。

磁場的強度取決於材料所能承受的電流強度。與目前LHC大型強子對撞機磁體中使用的鈮鈦不同，鈮錫可以支持製造15特斯拉磁場所需的電流量。但是鈮錫很脆，當受到加速器磁體內部巨大的工作力時，容易斷裂。

鈮錫電纜

因此，費米實驗室團隊開發了一種磁鐵設計，可以支撐線圈在運行過程中可能遇到的各種壓力和應變。幾十根圓線按照一定的方式被纏繞成電纜，使其能夠滿足必要的電氣和機械規格。這些電纜被纏繞成線圈，並在高溫下進行了約兩周的熱處理，最高溫度約為648.8攝氏度，以使鈮錫線在運行溫度下轉化為超導體。該團隊將幾個線圈封裝在一個由鐵軛與鋁夾和不鏽鋼表皮組成的堅固創新結構中，以穩定線圈，防止巨大的電磁力使脆性線圈變形，從而使鈮錫線退化。

茲洛賓說：」在設計這樣的磁體時，需要考慮的變量太多了，比如場參數、超導電線電纜、機械結構及其在組裝和運行過程中的性能、磁體技術以及運行過程中的磁體保護等等。對於大型強子對撞機磁體來說，所有這些問題都更加重要。」

費米實驗室未來的目標是17T，甚至20特斯拉的目標。

該項目得到了美國能源部科學辦公室的支持。它是美國磁體開發計劃的重要組成部分，該計劃包括費米實驗室、布魯克海文國家實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室和國家高磁場實驗室。

費米實驗室是美國能源部的一所國家實驗室，總部位於伊利諾斯州巴達維亞附近的草原上。該實驗室是美國最重要的物理研究機構之一。主要探索領域為高能物理學，擁有世界上第二高能量的粒子加速器，僅次於歐洲核子研究組織的大型強子對撞機。此外，費米實驗室在微中子的探索方面亦有卓越的成就，被譽為「世界微中子之都」。