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停放大型强子对撞机的质子列车

LHC 粒子加速器 质子列车
发布:2020-09-22 17:21:52     来源: 中国同位素与辐射行业协会

像大型强子对撞机这样的粒子加速器,每次运行后都需要复杂的束流转储系统来安全处理高能粒子。

欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)是世界上最强大的粒子加速器。它以接近光速的速度将数以万亿计的质子绕着一个圆形轨道飞驰。

虽然每个质子的动能相当于一只飞行的蚊子,但整个质子束——由2500束粒子组成——的动能相当于一列时速200英里的10节车厢的火车。

就像一列地下高速列车一样,这些高能质子沿着LHC 17英里的轨道在地球表面下约100米处行驶。在每次运行结束时,或者当赛道上出现问题时,质子的列车需要能够快速而谨慎地停下来。

“如果出了什么问题,我们必须能够立即清除加速器中的束流,并将其发送到一个安全的不会造成任何损害的地方,”CERN束流传输小组的负责人布伦南·戈达德(Brennan Goddard)说。

质子列车每天必须在LHC外停靠三次。有时,这是因为循环粒子失去了太多的能量,无法产生良好的碰撞。其他时候是由于机器的电气故障。对于任何一种情况,科学家和工程师都设计了一个系统,可以立即将光束转移到自己的火车站: 束集器。

“LHC通常被认为是有史以来最复杂的机器,”亚历克斯·克莱纳(Alex Krainer)说,他是欧洲核子研究中心的博士生,目前正在为未来的加速器设计束流。“束流转储系统必须是整个对撞机中最可靠的系统。我们无法想象没有它就能运行机器。”

但是,科学家如何能让一辆长数英里、1美分硬币的宽、储存能量足以融化一吨铜的火车改道停车呢? 像任何现代机车一样,它从一个复杂的预警系统发出的信号开始。

大型强子对撞机配备了数以万计的传感器,持续监控质子束的大小、间距和轨迹。如果质子束表现不正常,这些传感器就会自动发送信号,触发一组磁铁将质子列车送到另一条轨道上。一旦信号被接收到,束流在90微秒内转换路径——在LHC周围旋转一圈。

在这条新轨道上,质子列车被剥离成由不同部分组成的车厢,这些车厢在进入束流收集器时会散开,稀释了可能对质子列车造成损害的能量密度。

束流收集器是一个长8米,直径不到1米的实心石墨圆柱体。它包裹在不锈钢外壳中,充满氮气,并被铁和混凝土屏蔽层包围。

欧洲核子研究中心目标,准直器和废料场负责人马可·卡尔维安尼(Marco Calviani)说,它主要由低密度石墨制成,“最后夹着较高密度的材料。”“如果我们仅使用石墨,则仍然会有许多未碰撞的质子通过。而且,如果您将较高密度的材料放在前面,则砌块会融化。”

在抛弃束流时,粒子碰撞会将圆柱体加热到超过1000摄氏度,并产生一些新的,无害的粒子,这些粒子穿过砌块并迅速衰减。大多数质子束在穿过石墨层并安全停放在自己的位置时会放慢速度,从而将质子列车的能量分布在整个电子束收集器上。

这解决了束流负荷过重的问题。但当束流碰撞产生的快速加热和冷却导致砌块物理移动时,另一个问题出现了。

“在最近的检查中,我们发现收集器实际上已经从正常的热膨胀和收缩上升了几厘米,”欧洲核子研究中心的源、靶和相互作用小组组长西蒙妮·吉拉多尼(Simone Gilardoni)说。

如果收集器被推得太远,它会拉上连接到它的管道。如果它拖得太远,就会撞上一堵铁墙。还有一个磨损的问题——现在的砌块已经用了10年了。

束收集器修理小组必须创造性地处理熔化、移动和擦伤问题,因为持续的高能碰撞会产生放射性元素。实验室的科学家们用远程控制的机器人将主减震器替换为升级的备用减震器,并为束收集器安装了一个独立的支架,这样可以前后摆动来减弱剧烈的运动。

这样的维护对于保证实验的安全和功能是必要的。当大型强子对撞机的工作人员为其高亮度升级做准备时,这将使光束的强度增加一倍以上,科学家们正在努力加强这个已经错综复杂的系统。他们计划添加更多的磁性助推器,在光束撞击束收集器之前处理它。美国参与的HL-LHC升级工作得到了美国能源部科学办公室和国家科学基金会的支持。

卡尔维安尼说。“束收集器在充满挑战的辐射环境中提供了物理和工程挑战的完美结合,”“这是一项激动人心的跨学科活动,其中工程物理学的边界发挥到了极致。”

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