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美国国家实验室的磁铁设计师用新的原型机展望光源的未来

阿贡国家实验室 加速器 光源
发布:2021-02-26 14:00:09     来源:中国同位素与辐射行业协会

有了足够强大的光,你可以看到人们曾经认为不可能的事情。大规模的光源设备产生这种强大的光,科学家们通过它来制造更耐用的材料,制造更高效的电池和计算机,并了解更多的自然世界。

说到建造这些大型装置,空间就是金钱。如果你能从更小的设备中获得更高能量的光束,你就能节省数百万的建筑成本。再加上大大提高现有光源能力的机会,你就有了一个项目背后的动机,这个项目把美国能源部三个国家实验室的科学家聚集在一起。

这个团队刚刚实现了一个重要的里程碑,这个里程碑已经进行了15年多:他们设计、制造并全面测试了一个最新的半米长的原型磁铁,该磁铁符合现有和未来光源装置的使用要求。

这个半米长的铌锡超导波荡磁铁原型是由美国能源部三个国家实验室的团队设计和制造的。下一步将是建立一个米长的版本,并安装在阿贡的先进光源上。图片:易卜拉欣·凯斯金,阿贡国家实验室

根据能源部阿贡国家实验室杰出研究员格卢斯金(Efim Gluskin)的说法,下一步是扩大这个原型的规模,建造一个超过一米长的原型,并将其安装在能源部阿贡科学用户办公室装置的先进光源上。但他说,虽然这些磁铁将与APS等光源兼容,但这里真正的投资在于尚未建成的下一代装置。

“这项技术的真正规模是用于未来的自由电子激光设备,”格卢斯金说。“如果缩小设备的尺寸,就缩小了隧道的尺寸,如果能做到这一点,就可以节省数千万美元。这将产生巨大的变化。”

这一长期目标,促使格卢斯金和他的阿贡同事们,与劳伦斯伯克利国家实验室和费米国家加速器实验室的科学家合作。几十年来,每个实验室都在研究超导技术,近年来致力于研究和开发一种将铌和锡结合在一起的化合物。

这种材料仍然处于超导状态,这意味着它对流经它的电流没有电阻,即使它产生高磁场,这使得它非常适合制造所谓的波动磁铁。像APS这样的光源通过吸收电子在储存环中循环时释放的能量来产生光子束(光的粒子)。波荡磁铁是一种将能量转化为光的装置,你能用它产生的磁场越高,你能从同样大小的装置中产生的光子就越多。

现在有一些超导波荡磁铁安装在APS上,但它们是由铌钛合金制成的,几十年来一直是标准材料。根据伯克利实验室的资深科学家索伦·普雷斯特蒙(Soren Prestemon)的说法,铌钛超导体适用于较低的磁场,它们在10特斯拉左右时就不再超导了。(这大约是普通冰箱磁铁强度的8000倍。)

“铌-3-锡是更复杂的材料,”普雷斯特蒙说,“但它能够在更高的磁场下传输电流。它的超导性高达23特斯拉,在较低的磁场下,它的载流能力是铌钛的三倍。这些磁铁保持在4.2开尔文(约零下450华氏度)的低温下,以保持超导性。”

普雷斯特蒙早在20世纪80年代就开始了伯克利的铌-3-锡研究项目,这项新设计是在普雷斯特蒙和他的同事们之前的工作基础上,在阿贡开发的。

他说:“这是第一台铌锡波荡器,设计既符合当前规范,又经过了束流传输磁场质量方面的全面测试”。

据萨沙·兹洛宾(sasha zlobin)介绍,费米实验室从上世纪90年代开始研究这种材料,他在那里发起并领导了铌-3-锡磁铁项目。费米实验室的铌-3-锡项目集中于粒子加速器的超导磁体,比如瑞士CERN的大型强子对撞机和即将在费米实验室站点上建造的PIP-II直线加速器。

兹洛宾说:“我们的高场强铌锡磁铁已经取得了成功。”“我们可以把这些知识应用到基于这种超导体的超导波荡器上。”

研究小组称,这一过程的一部分是学习如何避免磁铁在接近所需磁场水平时过早淬火。当磁铁失去在没有电阻的情况下传导电流的能力时,产生的齿隙称为淬火,它消除了磁场,并可能损坏磁铁本身。

该小组将在IEEE应用超导学报上发表报告说,他们的新设备在磁场更高的情况下容纳的电流几乎是目前APS中使用的铌钛超导波荡器的两倍。

该项目借鉴了阿贡制造和运行超导波荡器的经验、以及伯克利和费米实验室对铌-3-锡的知识。费米实验室帮助指导了这一过程,为超导导线的选择提供了建议,并分享了超导导线技术的最新发展。伯克利设计了一个最先进的系统,它使用先进的计算技术来检测淬火并保护磁铁。

在阿贡,原型是由一组工程师和技术人员在项目经理易卜拉欣·凯斯金(Ibrahim Kesgin)的指导下设计、制造、组装和测试的,尤里·伊万尤申科夫(YuryIvanyushenkov)领导的APS超导波荡器团队的成员对设计,建造和测试做出了贡献。

研究团队计划在APS的1区安装他们的完整原型,该原型将于明年完成,该区利用高能光子束窥视较厚的材料样本。这将是该设备的试验场,表明该设备可以在设计光源下工作。但是,格卢斯金说,但是,人们的目光是将铌钛和铌3-锡这两种技术转让给工业合作伙伴,并为未来的高能光源设施制造这些设备。格卢斯金说:“关键是在实验室和DOE研究与开发基金的支持下,稳定而持久的工作。”“达到这一点是逐步的进步。”

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