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费米实验室使用高温超导体的粒子加速器磁体创下新纪录

2021-12-02 15:07     来源:cnBeta     粒子加速器LHC费米国家加速器实验室
据New Atlas报道,磁体在物理学研究中发挥着至关重要的作用,它有助于引导粒子束的轨迹,从而实现高速碰撞和突破性的发现。但并非所有的磁体都是一样的,有些磁体比其他磁体更快产生所需的磁场。美国费米国家加速器实验室的物理学家已经开发出一种在这方面超过之前所有的磁体,并利用它来证明他们所描述的世界上最快的粒子加速器磁体的升温速度。


像世界上最强大的粒子加速器--大型强子对撞机(LHC)这样的设备内的磁体,在粒子以接近光速的速度在圆形室中呼啸而过时,有助于保持它们的轨迹。实验中的能量越高,保持实验运行所需的磁场就越强,大型强子对撞机要求的磁场约为8特斯拉。

但负责产生这一磁场的超导磁体需要约20分钟才能达到这一水平,以每秒约0.006特斯拉的速度缓缓升温。使用室温下铜导体的磁铁而不是超导线材的粒子加速器能够以更大的速度提升。这包括日本J-PARC的世界最高强度的中子束,它以每秒70特斯拉的速度充电,以及费米实验室自己的8-GeV增压环,它以每秒30特斯拉的速度加速。


为这些目的使用超导磁学的一个问题是形成大的热点,这些热点随着场振幅和升温速度的增加而增加。在传统超导材料的工作温度方面,也有一个固有的小误差,只需要一个小的温度增加,它们就会过渡到正常的导电和电阻状态。

费米实验室的科学家们认为,他们已经在一种被称为钇钡铜氧的材料中找到了解决这个问题的办法,这种材料因其高温超导性而闻名,正如一些研究人员在2011年指出的那样,它在磁悬浮领域具有潜力。利用这种材料,该团队建立了一个可以在6到20开尔文的温度下工作的磁体,并且可以处理1000安培的电流。

在对这种新的高温超导磁体进行测试时,研究小组表明它可以以每秒290特斯拉的速度上升,并达到约0.5特斯拉的峰值磁场强度。这显然与在大型强子对撞机上展示的8特斯拉相差甚远,但科学家们说,通过增加流经磁体的电流可以实现更高的磁场强度。

科学家们将继续对他们的创造进行实验,努力扩大电力供应。他们认为这项技术将在未来的各种实验中发挥作用,这包括中微子研究和计划中的100公里(62英里)未来环形对撞机,该对撞机可能在2040年之前启动和运行。

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