作者小格伦·罗伯茨
费米国家加速器实验室 这种新型磁体达到了加速器聚焦磁体有史以来最高的场强记录
由费米实验室、布鲁克海文国家实验室和劳伦斯·伯克利国家实验室设计和建造，它将是第一个在粒子加速器中运行的铌锡四极磁体——在这种情况下，是欧洲粒子物理研究所未来的高亮度大型强子对撞机
荣誉:劳伦斯·伯克利国家实验室的郑丹 在美国三个国家实验室参与的多年努力中，研究人员成功建造并测试了一种基于先进超导材料的强大新磁体
这台8吨重的设备——大约有半卡车拖车那么长——创下了加速器聚焦磁体有史以来最高场强的记录，并提高了高能粒子对撞机磁体的运行标准
能源部的费米实验室、布鲁克海文国家实验室和劳伦斯·伯克利国家实验室设计、建造并测试了这种新磁体，这是他们为欧洲粒子物理研究所实验室的高光度大型强子对撞机提供的16种磁体之一
这16块磁铁，连同欧洲粒子物理研究所生产的另外8块磁铁，充当带电粒子的“光学元件”:当质子束在两个不同的粒子探测器内接近碰撞时，它们将把质子束聚焦到一个微小的无穷小的点上
设置这些U的成分
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铌锡是一种产生强磁场的超导材料
这将是第一个在粒子加速器中运行的铌锡四极磁铁
像现在的大型强子对撞机一样，它的高亮度后继者将以接近光速的速度粉碎环绕17英里环的质子束
HL-LHC号将装载一个额外的冲力:它将提供10倍于目前LHC可能发生的碰撞
随着碰撞越来越多，发现新物理的机会也越来越多
这台机器的新聚焦磁铁将帮助它实现交付亮度的飞跃
“我们已经证明，这第一个四极磁铁表现成功，并根据设计，基于多年的发展努力，使能源部在这项新技术的投资成为可能，”费米实验室科学家乔治阿波罗里说，美国大学的负责人
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加速器升级项目，引领美国
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聚焦磁铁项目
“这是一个非常尖端的磁体，真正处于磁体技术的边缘，”布鲁克海文国家实验室科学家凯瑟琳·安姆说，她是布鲁克海文加速器升级项目的代表
使它成功的是它令人印象深刻的专注能力
聚焦，磁铁，聚焦 在圆形对撞机中，两束粒子以相反的方向绕着环旋转
在它们到达碰撞点的前一瞬间，每束粒子束通过一系列磁铁，磁铁将粒子束聚焦成一个微小的点，就像透镜将光线聚焦到一个点一样
现在用磁铁能得到的粒子紧紧地包裹着它们——粉碎！—光束碰撞
那次粉碎的科学成果取决于光束的密度
挤进碰撞点的粒子越多，粒子碰撞的几率就越大
通过增强磁铁的聚焦，你可以得到那些密集的光束
一种方法是扩大镜头
考虑光线: “如果你想用放大镜把阳光聚焦在一个小点上，你需要一个更‘强大’的放大镜，”伯克利实验室科学家、控制客户经理之一伊恩·庞说
一个较大的放大镜比一个较小的放大镜能聚焦更多的阳光
然而，为了接近同一个焦点，透镜外缘的光线必须更急剧地弯曲
LHC欧洲粒子物理研究所是世界上最大的粒子加速器，以发现希格斯玻色子而闻名
然而，LHC还将运行20年，并将收集大量数据
费米实验室大量参与了升级工作，以使加速器和紧凑型μ介子螺线管探测器在可预见的未来成为物理发现发电站
信用:费米国家加速器实验室 或者考虑一群弓箭手向一个苹果射箭:如果弓箭手从苹果的上方、下方和两侧射箭，比他们站在一个柱子上，从相同的位置射击，会有更多的箭坚持下来
放大镜大小和弓箭手阵列的模拟是磁体的孔径——当光束穿过磁体内部时，光束通过的通道的开口
如果允许粒子束在聚焦前开始变宽，更多的粒子将到达预期的焦点——粒子探测器的中心
美国
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研究小组将LHC聚焦磁铁的孔径扩大到150毫米，是目前70毫米孔径的两倍多
当然，更大的光圈是不够的
仍然存在实际聚焦光束的问题，这意味着当光束到达碰撞点时，迫使光束的大小发生戏剧性的变化，从宽到窄
这需要一个特别强的磁铁
阿波利奈尔说:“为了产生HL-LHC所需的亮度，磁铁必须比LHC现有的磁铁更有力地挤压光束。”
为了满足这一需求，科学家们设计并建造了一个肌肉聚焦磁铁，计算出在所需的孔径下，它必须产生超过11的磁场
4个teslas
这是从目前的7
铌钛基LHC四极磁铁产生的5特斯拉磁场
(对于加速器专家:HL-LHC综合光度目标是3000反飞秒
) 今年1月，三个实验室团队的第一个HL-LHC聚焦磁铁交付了上述目标性能，实现了11
5特斯拉磁场，并以这种强度连续运行五个小时，就像2027年高亮度LHC启动时一样
“这些磁铁是目前加速器中磁场最高的聚焦磁铁，就像它们现在存在的一样，”Amm说
“我们真的在向更高的领域前进，这让我们能够达到更高的亮度
" 由于铌锡合金，新的聚焦磁铁是一个胜利
铌锡获胜 目前LHC的聚焦磁体由铌钛制成，其固有性能极限一般认为在加速器应用中已达到8至9特斯拉
HL-LHC号需要大约12特斯拉的磁铁，比地球表面的磁场强25万倍
“那你是做什么的？你需要去找一个不同的指挥，”阿波利娜里说
加速器磁体专家几十年来一直在用铌锡做实验
流经铌锡超导体的电流可以产生12特斯拉或更高的磁场——但前提是铌和锡一旦混合并经过热处理成为超导材料，就能保持完好无损
磁铁制造商:三个美国
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实验室正在为世界上最大的强力对撞机制造强力磁铁
学分:伯克利实验室 “一旦它们发生反应，它就变成了一个美丽的超导体，可以携带大量的电流，但之后它也会变脆，”阿波利奈尔说
众所周知的易碎 “如果你把它弯得太多，哪怕是一点点，一旦它变成反应物质，听起来就像玉米片，”安姆说
“你真的听到它断了
" 多年来，科学家和工程师们已经找到了以一种有用的形式生产铌锡超导体的方法
保证它能作为HL-LHC聚焦磁铁的恒星是另一个挑战
伯克利、布鲁克海文和费米实验室的专家让这一切发生了
他们的组装过程是一个微妙的、复杂的操作，在铌锡成为未来对撞机磁体的主要参与者时，平衡铌锡的脆弱性和它所经历的温度和压力的巨大变化
这一过程始于由外部制造商提供的围绕锡芯的含有铌丝的金属丝
电线然后在伯克利以正确的方式被制成电缆
布鲁克海文和费米实验室的团队随后将这些电缆缠绕成线圈，小心避免过度变形
他们在熔炉中分三个温度阶段加热线圈，这一过程需要一周多的时间
在热处理过程中，锡与细丝反应形成易碎的铌锡
铌锡在熔炉中反应后，现在处于最脆弱的状态，所以在团队固化它的过程中要小心处理，将其嵌入树脂中，形成坚固的线圈
这个线圈现在可以作为聚焦磁铁的四个磁极之一
每个磁极的组装过程需要几个月的时间，然后才能组装完整的磁体
庞说:“因为这些线圈通电时非常强大，所以有很大的力试图将磁铁推开。”
“即使磁体不变形，在导体层也会有应变，铌锡的性能对此非常敏感
对这些高磁场磁体来说，应力的管理非常非常重要
" 磁体线圈的热处理——磁体组装的中间步骤之一——也是一门微妙的科学
HL-LHC聚焦磁铁的四个线圈每一个都重约一吨，必须内外均匀热处理
“你必须控制好温度
否则这种反应不会给我们最好的表现
“这有点像做饭
它不仅仅是在线圈的一部分达到温度，而是在整个线圈中，从一端到另一端，从上到下，整个过程
" 并且四个线圈必须彼此精确对准
“你需要非常高的磁场精度，所以我们必须有非常高的精度来排列它们，以获得良好的磁场均匀性，一个良好的四极场，”Amm说
进入美国的精细工程
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HL-LHC磁体在过去的几十年里变得更加锋利，其回报是为粒子加速器社区提供能量
这块磁铁准备在布鲁克海文国家实验室进行测试
学分:布鲁克海文国家实验室 Amm说:“这将是铌锡在加速器聚焦磁体中的首次应用，所以看到如此复杂和先进的技术在真正的机器上实现将是非常令人兴奋的。”
“在过去的10年、20年——如果你想走得更远，30年、40年——我们总是肩负着责任和希望的重担，专注于这些磁铁、指挥家的发展以及所有的工作，”彭说
“最后，我们即将实现这一目标，我们非常希望确保这是一次持久的成功
" 加速器协作的许多活动部分 确保持久的成功既与精湛的工程技术有关，也与操作编排有关
管理跨越数年和一个大陆的物流需要艰苦的协调
庞说:“计划和日程安排非常重要，而且很有挑战性。”
“例如，交通通讯:我们必须确保物品得到很好的保护
否则这些昂贵的物品可能会被损坏，所以我们必须预见问题并防止它们
延迟也会对整个项目产生影响，因此我们必须确保组件及时运送到目的地
" 安姆、阿波利奈尔和庞承认，三个实验室的团队作为一台运转良好的机器，已经很好地应对了挑战
“费米实验室、布鲁克海文和柏克莱开发的技术帮助最初的LHC获得了成功
现在，这些来自美国的技术
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真的在帮助欧洲核子研究中心取得成功，”Amm说
“这是一支梦之队，能成为其中的一员是我的荣幸
" 美国
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HL-LHC的加速器升级项目于2016年启动，聚焦磁铁项目是其中的一部分，该项目源于2003年的R&D项目，专注于类似的加速器技术项目
从现在到2025年左右，美国
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实验室将继续建造大型笨重的管子，从铌和锡的细条开始
他们计划在2022年开始向欧洲粒子物理研究所交付16块磁铁中的第一块，外加4块备件
安装将在接下来的三年内进行
“人们说‘着陆’是描述飞机着陆的一个非常美丽的词，因为你有一个重达数百吨的巨大金属物体，从天而降，非常轻柔地接触混凝土跑道，”庞说
“这些磁铁和那个没有太大区别
我们的磁铁是巨大的超导装置，聚焦微小的不可见粒子束，这些粒子束以接近光速的速度穿过孔
相当神奇
" 魔法始于2027年，当高亮度LHC上线
“我们今天正在做的工作是未来的年轻研究人员将在10年或20年后利用它来推动人类知识的前沿，就像我年轻时在费米实验室使用Tevatron时发生的一样，”阿波罗里说
“这是一代人的接力棒传递
我们需要为下一代制造机器，有了这项技术，显然我们能为下一代创造很多东西
"
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