Om de volgende generatie krachtige protonversnellers te bouwen, wetenschappers hebben de sterkst mogelijke magneten nodig om deeltjes dicht bij de lichtsnelheid rond een ring te sturen. Voor een bepaalde ringmaat, hoe hoger de energie van de straal, hoe sterker de magneten van het gaspedaal moeten zijn om de straal op koers te houden.

Wetenschappers van Fermilab van het Department of Energy hebben aangekondigd dat ze de hoogste magnetische veldsterkte hebben bereikt die ooit is geregistreerd voor een stuurmagneet van een versneller, het vestigen van een wereldrecord van 14,1 teslas, met de magneet afgekoeld tot 4,5 kelvin of min 450 graden Fahrenheit. Het vorige record van 13,8 tesla, bereikt bij dezelfde temperatuur, werd 11 jaar vastgehouden door het Lawrence Berkeley National Laboratory.

Dat is meer dan duizend keer sterkere magneet dan de koelkastmagneet die je boodschappenlijstje aan je koelkast houdt.

De prestatie is een opmerkelijke mijlpaal voor de deeltjesfysica-gemeenschap, die ontwerpen bestudeert voor een toekomstige versneller die zou kunnen dienen als een potentiële opvolger van de krachtige 17-mijl-rond Large Hadron Collider die sinds 2009 in het CERN-laboratorium werkt. Een dergelijke machine zou protonen moeten versnellen tot energieën die meerdere keren hoger zijn dan die aan de LHC.

En dat vraagt ​​om stuurmagneten die sterker zijn dan de LHC's, ongeveer 15 tesla.

"We werken al enkele jaren aan het doorbreken van de 14 Tesla-muur, dus op dit punt komen is een belangrijke stap, " zei Fermilab-wetenschapper Alexander Zlobin, die het project bij Fermilab leidt. "We kwamen tot 14,1 tesla met onze 15-tesla demonstratiemagneet in de eerste test. Nu werken we eraan om er nog een tesla uit te halen."

Het succes van een toekomstige hoogenergetische hadronversneller hangt in grote mate af van levensvatbare hoogveldmagneten, en de internationale gemeenschap van hoge-energiefysica stimuleert onderzoek naar de 15-tesla niobium-tin-magneet.

De kern van het ontwerp van de magneet is een geavanceerd supergeleidend materiaal, niobium-tin genaamd.

Elektrische stroom die er doorheen stroomt, wekt een magnetisch veld op. Omdat de stroom geen weerstand ondervindt wanneer het materiaal wordt afgekoeld tot een zeer lage temperatuur, het verliest geen energie en genereert geen warmte. Alle stroom draagt ​​bij aan het ontstaan ​​van het magnetische veld. Met andere woorden, je krijgt veel magnetische knal voor de elektrische bok.

De sterkte van het magnetische veld hangt af van de sterkte van de stroom die het materiaal aankan. In tegenstelling tot het niobium-titanium dat in de huidige LHC-magneten wordt gebruikt, niobium-tin kan de hoeveelheid stroom ondersteunen die nodig is om magnetische velden van 15 tesla te maken. Maar niobium-tin is bros en vatbaar voor breuk wanneer het wordt blootgesteld aan de enorme krachten die in een versnellermagneet aan het werk zijn.

Daarom ontwikkelde het Fermilab-team een ​​magneetontwerp dat de spoel zou ondersteunen tegen elke spanning en spanning die het tijdens bedrijf zou kunnen tegenkomen. Enkele tientallen ronde draden waren op een bepaalde manier in kabels gedraaid, waardoor het voldoet aan de vereiste elektrische en mechanische specificaties. Deze kabels werden op rollen gewikkeld en gedurende ongeveer twee weken bij hoge temperaturen met warmte behandeld, met een piektemperatuur van ongeveer 1, 200 graden Fahrenheit, om de niobium-tin-draden om te zetten in supergeleiders bij bedrijfstemperaturen. Het team heeft verschillende spoelen ingekapseld in een sterke innovatieve structuur bestaande uit een ijzeren juk met aluminium klemmen en een roestvrijstalen huid om de spoelen te stabiliseren tegen de enorme elektromagnetische krachten die de broze spoelen kunnen vervormen, waardoor de niobium-tin-draden worden afgebroken.

De Fermilab-groep hield rekening met elk bekend ontwerpkenmerk, en het betaalde zich uit.

Dit is een enorme prestatie in een sleuteltechnologie voor circulaire versnellers buiten de LHC, " zei Sören Prestemon, een senior wetenschapper bij Berkeley Lab en directeur van het multilaboratorium US Magnet Development Program, waaronder het Fermilab-team. "Dit is een uitzonderlijke mijlpaal voor de internationale gemeenschap die deze magneten ontwikkelt, en het resultaat is enthousiast ontvangen door onderzoekers die de stralen van een toekomstige botser zullen gebruiken om de grenzen van de hoge-energiefysica te verleggen."

En het Fermilab-team is klaar om hun stempel te drukken op het gebied van 15 tesla.

"Er zijn zoveel variabelen waarmee je rekening moet houden bij het ontwerpen van een magneet als deze:de veldparameters, supergeleidende draad en kabel, mechanische structuur en zijn prestaties tijdens montage en bediening, magneet technologie, en magneetbescherming tijdens bedrijf, "Zei Zlobin. "Al deze problemen zijn nog belangrijker voor magneten met recordparameters."

In de komende maanden, de groep is van plan de mechanische ondersteuning van de spoel te versterken en de magneet dit najaar opnieuw te testen. Ze verwachten het ontwerpdoel van 15 tesla te halen.

En voor de verdere toekomst leggen ze hun vizier nog hoger.

"Op basis van het succes van dit project en de lessen die we hebben geleerd, we zijn van plan om het veld in niobium-tin-magneten voor toekomstige botsers te vergroten tot 17 tesla, ' zei Zlobin.

Daar stopt het niet. Zlobin zegt dat ze mogelijk stuurmagneten kunnen ontwerpen die een veld van 20 teslas bereiken met behulp van speciale inzetstukken gemaakt van nieuwe geavanceerde supergeleidende materialen.

Noem het een velddoelpunt.

Het project wordt ondersteund door het Department of Energy Office of Science. Het is een belangrijk onderdeel van het Amerikaanse Magnet Development Program, waaronder Fermilab, Brookhaven Nationaal Laboratorium, Lawrence Berkeley National Laboratory en het National High Magnetic Field Laboratory.