美國費米實驗室創造有史以來最強加速器磁場

美國費米實驗室創造有史以來最強加速器磁場

為了構建下一代強大的質子加速器，科學家們需要最強大的磁場來控制環形加速器當中接近光速的粒子。對於給定的環尺寸，光束的能量越高，加速器的磁場需要越強，以保持光束的正常運行。

美國能源部費米實驗室的科學家宣佈：利用冷卻到4.5開爾文（或零下232.2攝氏度）加速器轉向磁鐵，他們獲得了有史以來最高的磁場強度，創造了14.1特斯拉的世界紀錄。此前，美國勞倫斯伯克利國家實驗室在同一溫度下獲得了13.8特斯拉的紀錄。

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

這一成就是粒子物理學界的一個重要里程碑。

美國費米國家加速器實驗室鳥瞰

科學家們正在研究未來對撞機的設計，可以作為自2009年以來在歐洲核子研究理事會實驗室運行的強大的17英里大型強子對撞機的繼承者。這樣的機器需要加速質子的能量比勞倫斯伯克利國家實驗室的設備高几倍。而這需要比大型強子對撞機更強大的環形磁場，大約15特斯拉。

費米實驗室負責人，科學家亞歷山大·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，因此達到這一點是重要的一步。”

未來高能強子對撞機的成功在很大程度上取決於可行的高磁場磁體，而國際高能物理界正在鼓勵對15特斯拉的鈮錫磁體進行研究。

高強磁場設計的核心是一種稱為鈮錫的先進超導材料，流過它的電流將產生磁場。當這種材料冷卻到非常低的溫度時，電流不會遇到阻力，所以它不會失去能量並且不會產生熱量。所有電流都有助於產生磁場。換句話說，你會為電子降壓獲得大量的磁力。

磁場的強度取決於材料可以處理的電流強度。與目前勞倫斯伯克利國家實驗室磁鐵中使用的鈮鈦不同，鈮錫可以支持製造15特斯拉磁場所需的電流量。但是，當加速器磁鐵內部的巨大力作用時，鈮-錫材料很脆並且易於破裂。

鈮錫磁體電纜

因此，費米實驗室團隊開發了一種磁鐵設計，可以在線圈中抵抗線圈在運行過程中遇到的每一個應力和應變。數十根圓形導線以某種方式扭曲成電纜，使其能夠滿足必要的電氣和機械規格。將這些電纜纏繞成線圈並在高溫下熱處理約兩週，峰值溫度約為1200華氏度，以在操作溫度下將鈮-錫線轉換成超導體。該團隊將一些線圈包裹在一個強大的創新結構中，該結構由鐵軛和鋁夾以及不鏽鋼表皮組成，以穩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。

費米實驗小組考慮了所有已知的設計特徵，最終並獲得了回報。

對於大型強子對撞機以外的圓形對撞機的關鍵使能技術來說，這是一項巨大的成就。伯克利實驗室的資深科學家，美國磁鐵開發計劃主任索倫·普雷斯特蒙說：“這是一個特殊的里程碑，研究人員熱情地接受了這一結果，他們將利用未來對撞機的光束來推動高能物理學的向前發展。“

費米實驗室團隊正準備衝擊15特斯拉的磁場強度。

澤洛賓表示：“在設計這樣的磁體時需要考慮很多變量：磁場參數，超導電線和電纜，機械結構及其在裝配和操作過程中的性能，磁鐵技術以及運行期間的磁鐵保護。對於具有記錄參數的磁鐵，所有這些問題都更為重要。”

在接下來的幾個月裡，該團隊計劃加強線圈的機械支撐，然後在今年秋季重新測試磁鐵。他們希望達到15特斯拉的設計目標。

他們將目光投向更高的未來。澤洛賓說：“基於這個項目的成功和我們之前獲得的經驗教訓，，我們計劃推進鈮錫磁磁場強度到17特斯拉。”

澤洛賓說，他們並不止於此。科學家們可以使用由新型先進超導材料實現20特斯拉磁場。

費米實驗室原名為美國國立加速器實驗室，主要研究領域為高能物理學、粒子物理學。1974年為紀念美國物理學家恩里科·費米而更名為“費米國立加速器實驗室”。

該項目得到了美國能源部科學辦公室的支持。它是美國磁鐵開發計劃的重要組成部分，其中包括費米實驗室，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。