費米實驗室使用高溫超導體的粒子加速器磁體創下新紀錄

據New Atlas報道,磁體在物理學研究中發揮着至關重要的作用,它有助於引導粒子束的軌跡,從而實現高速碰撞和突破性的發現。但並非所有的磁體都是一樣的,有些磁體比其他磁體更快產生所需的磁場美國費米國家加速器實驗室的物理學家已經開發出一種在這方面超過之前所有的磁體,並利用它來證明他們所描述的世界上最快的粒子加速器磁體的升溫速度。

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像世界上最強大的粒子加速器–大型強子對撞機(LHC)這樣的設備內的磁體,在粒子以接近光速的速度在圓形室中呼嘯而過時,有助於保持它們的軌跡。實驗中的能量越高,保持實驗運行所需的磁場就越強,大型強子對撞機要求的磁場約為8特斯拉。

但負責產生這一磁場的超導磁體需要約20分鐘才能達到這一水平,以每秒約0.006特斯拉的速度緩緩升溫。使用室溫下銅導體的磁鐵而不是超導線材的粒子加速器能夠以更大的速度提升。這包括日本J-PARC的世界最高強度的中子束,它以每秒70特斯拉的速度充電,以及費米實驗室自己的8-GeV增壓環,它以每秒30特斯拉的速度加速。

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為這些目的使用超導磁學的一個問題是形成大的熱點,這些熱點隨着場振幅和升溫速度的增加而增加。在傳統超導材料的工作溫度方面,也有一個固有的小誤差,只需要一個小的溫度增加,它們就會過渡到正常的導電和電阻狀態。

費米實驗室的科學家們認為,他們已經在一種被稱為釔鋇銅氧的材料中找到了解決這個問題的辦法,這種材料因其高溫超導性而聞名,正如一些研究人員在2011年指出的那樣,它在磁懸浮領域具有潛力。利用這種材料,該團隊建立了一個可以在6到20開爾文的溫度下工作的磁體,並且可以處理1000安培的電流。

在對這種新的高溫超導磁體進行測試時,研究小組表明它可以以每秒290特斯拉的速度上升,並達到約0.5特斯拉的峰值磁場強度。這顯然與在大型強子對撞機上展示的8特斯拉相差甚遠,但科學家們說,通過增加流經磁體的電流可以實現更高的磁場強度。

科學家們將繼續對他們的創造進行實驗,努力擴大電力供應。他們認為這項技術將在未來的各種實驗中發揮作用,這包括中微子研究和計劃中的100公里(62英里)未來環形對撞機,該對撞機可能在2040年之前啟動和運行。