science >> Wetenschap >  >> Fysica

Wetenschappers over het veiliger maken van de Large Hadron Collider

Senior research fellows van het Laboratory of Precision Alloys and Intermetallic Compounds van het Institute of Metal Physics van de Ural Branch van de Russian Academy of Sciences bereiden de tweede-generatie hoge-temperatuur supergeleidende tape-monsters voor het diffractometer-onderzoek voor. Krediet:Evgeniy Talantsev

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Evgeniy Talantsev, een senior research fellow bij het Research and Educational Centre van de Ural Federal University, heeft de taak benaderd om de betrouwbaarheid van dergelijke complexe en dure faciliteiten als de Large Hadron Collider (LHC) te vergroten. De resultaten van het experiment zijn gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten in een artikel met de titel "Het begin van dissipatie in supergeleiders bij hoge temperatuur:magnetische hysterese en veldafhankelijkheid."

Evgeniy Talantsev legt uit, "In het proces van werken met hoge-temperatuur supergeleiders van de tweede generatie bij temperaturen van vloeibare stikstof (ongeveer -190 graden Celsius), we ontdekten dat met toenemende elektrische stroom, het begin van elektrische vermogensdissipatie is duidelijk geassocieerd met een abrupte overgang van het niet-lineaire gedrag van het magnetische veld gecreëerd door de elektrische stroom (en gemeten op elk punt op het oppervlak van de supergeleider), naar het lineaire. Een lineaire toename van het magnetische veld en een lineaire toename van de stroom is een veel voorkomende afhankelijkheid die inherent is aan metalen en halfgeleiders, d.w.z. materialen met een regelmatige lineaire elektrische weerstand, waarop de wet van Ohm van toepassing is.

"Met andere woorden, ook al is de elektrische weerstand van supergeleiders bij het begin van dissipatie ongeveer honderden miljarden keren lager dan die van het beste metaal, en is zeer niet-lineair en neemt tientallen miljoenen keren toe, het gedrag van het magnetische veld afhankelijk van de stroomsterkte bleek lineair en gemakkelijk te detecteren door reguliere cryogene Hall-sensoren, ', zegt Talantsev.

Het experiment werd eerst uitgevoerd zonder een extern aangelegd magnetisch veld, en daarom, zonder een veelvoud aan extra effecten die optreden in supergeleiders wanneer het externe magnetische veld wordt aangelegd.

"Het experiment zonder een extern aangelegd magnetisch veld is zeer zuiver en eenvoudig. Maar niemand voerde het uit en analyseerde de resultaten voor ons:iedereen voerde het uit in een sterk magnetisch veld. Het belang van onze aanpak is dat we alle mazen in de uitleg hebben gedicht de resultaten als de invloed van het externe magnetische veld. het is eerlijk om te zeggen dat het effect dat we hebben gevonden van fundamentele aard is, ’ legt de onderzoeker uit.

De wetenschappers controleerden ook of het effect van de overgang van niet-lineaire naar lineaire magnetische veldafhankelijkheid nog steeds aanwezig was met de toename van de stroom bij het aanleggen van een sterk magnetisch veld op de supergeleider. Dit is belangrijk, omdat de omstandigheden van de technologische ramp in de Large Hadron Collider het externe magnetische veld omvatten dat wordt toegepast.

"Het bleek dat in experimenten met extern aangelegd magnetisch veld, de lineaire kenmerken van het eigen magnetische veld van de supergeleider, waargenomen bij het begin van vermogensdissipatie zijn identiek aan die waargenomen zonder het externe magnetische veld. Dus, we hebben aangetoond dat het ontstaan ​​van regimes voor machtsdissipatie, in tegenstelling tot de traditionele veronderstellingen, zijn hetzelfde met of zonder het externe aangelegde magnetische veld, " zegt Evgeniy Talantsev. "Bovendien, In deze krant, we hebben aangetoond dat de supergeleider zijn magnetische geschiedenis voor altijd onthoudt. Alle veranderingen die optreden, zelfs zonder vermogensdissipatie, worden voor onbepaalde tijd door de supergeleider onthouden. Dit geheugeneffect wordt hysterese genoemd."

De fysische principes van het tijdens de experimentele waarneming ontdekte effect moeten theoretisch worden onderbouwd. Hier, Evgeniy Talantsev rekent op de hulp van wetenschappers en studenten van het Research and Educational Centre for Nanomaterials and Nanotechnologies. In de tussentijd, Het team van Evgeniy Talantsev is van plan om experimenten bij lage temperaturen voort te zetten met vloeibaar helium, onder omstandigheden die bijna identiek zijn aan de omstandigheden van de Large Hadron Collider.

De Large Hadron Collider is een 27 kilometer lange ondergrondse faciliteit op de grens tussen Zwitserland en Frankrijk voor het botsen van elementaire deeltjes die worden versneld tot bijna de lichtsnelheid. Door de botsingen van deeltjes te registreren, wetenschappers proberen het mysterie van de schepping en de structuur van het heelal te onderzoeken. Deze studies zijn alleen mogelijk in omstandigheden waarin de stroom van elementaire deeltjes wordt gecomprimeerd door een sterk magnetisch veld, een miljoen keer sterker dan het magnetische veld van de aarde. Dergelijke velden worden gecreëerd met behulp van supergeleiders, waarin een gigantische elektrische stroom zonder verlies circuleert in een spoel van bijna 27 kilometer lang, dat is de basis van de LHC. Een toename van de energie van botsende deeltjes is alleen mogelijk als de grootte van het magnetische veld wordt vergroot. De productiviteit van supergeleiders, beurtelings, wordt verzekerd door koeling met vloeibaar helium:deze stof hardt zelfs niet uit bij een absolute nultemperatuur:-273,15 graden Celsius.

In september 2008 vanwege het oncontroleerbare gedrag van de supergeleidende inductantiespoel van 27 km bij de Large Hadron Collider, de grootste technologische supergeleidende ramp, de zogenaamde "Quench, " vond plaats - dit was de vernietiging van de supergeleidende toestand van de supergeleider. De geplande toename van de stroom in de spoel resulteerde in schade aan het cryogene systeem van de LHC. Ongeveer zes ton vloeibaar helium verdampte in de atmosfeer (merk op dat 1 liter vloeistof helium is ongeveer 125 gram, en kost ongeveer € 100 euro). Gelukkig, er vielen geen slachtoffers, maar de LHC, die aanzienlijke schade hebben geleden als gevolg van ongecontroleerde energiedissipatie, meer dan een jaar buiten werking was. De Europese wetenschap leed miljoenen verliezen.

Het onderzoekspaper werd gepubliceerd in de Wetenschappelijke rapporten .