Създадено е рекордно магнитно поле за ускорителите на бъдещето

Учени от Лабораторията Ферми (Department of Energy’s Fermilab) в САЩ са постигнали рекордна напрегнатост на магнитното поле, управляващо частиците в ускорителите. Това постижение трябва да помогне да се построи колайдер, превъзхождащ Големия адронен калайдер ( LHC, Large Hadron Collider), което да позволи достигнето до нови простори във физиката.

Трябва да напомним, че в подобни устройства ускоряваните частици правят много обороти в кръга на ускорителя, като с всяко преминаване набират все по-голяма скорост.Но частицата, предоставена сама на себе си, ще лети по права линия, докато не се сблъска със стената на тунела. За да я накараме да завие, трябва да има сила, която да и въздейства. Именно това е силата на магнитното поле на управляващите магнити.

Физиците се стремят да ускорят частиците, колкото си може по-силно, защото само при сблъсък на частици с голяма енергия могат да възникнат явления, които по-рано не са наблюдавани. Например, знаменитото откриване на бозона на Хигс стана възможно единствено заради това , че в LHC успяха да предадат на протоните рекордна енергия.

Но колкото по-бързо летят частиците, толкова по-мощно трябва да е управляващото поле, за да могат те да бъдат контролирани. Магнитите, работещи в LHC, не са пригодени за още по-мащабен ускорител, които физиците се надяват да бъде построен. По тази причина учените се занимават с разработването на по-силни магнити.

Под  думата „магнит” повечето от нас си представят постоянните магнити, като тези, които си носим от пътешествия за прикрепяне на хладилника. Около тези обекти постоянно присъства  магнитно поле и по тази причина те се наричат постоянни.. Но те създават твърде слаби полета, за да бъдат използвани в ускорителите.

Затова в колайдерите се използват електромагнити. По своята същност те представляват бобина с намотка. По проводника тече ток и така се създава магнитно поле. Но в обикновените проводници само част от енергията отива за създаване на поле. Останалата енергия се превръща в топлина заради електрическото съпротивление. По тази причина не може да се създаде още по-силно поле, увеличавайки силата на тока. Проводникът ще се разтопи, преди напрегнатостта на магнитното поле да достигне до величини, които са нужни на съвременните ускорители.

Затова физиците използват свръхпроводници. Неговото електрическо съпротивление е равно на нула и затова при протичане на ток не се отделя топлина. По този начин цялата енергия на тока преминава в енергия на магнитното поле. Това позволява създаването на много силни полета.

Но свръхпроводимостта е капризно състояние. Практически винаги то се достига при много ниски температури. Например, чистият калай става свръхпроводник при -269,4⁰С, а чистия титан – при-272,8⁰С. Да се поддържат такива ниски температури е изключително трудно. Съществуват и така наречените студени свръхпроводници, при които свойствата на свръхпроводимост се появяват при по- високи температури (рекордът е -23⁰С при използване на лантанов хидрид, но при невероятно високо налягане от милион и половина атмосфери), но засега те не могат да се използват за технологични цели.

Освен това, всеки свръхпроводник има свое максимално значение на магнитното поле, което може да се създаде с негова помощ. При надвишаване на тази граница самото поле разрушава свръхпроводящото състояние. Трябва да се отчитат и другите характеристики на материалите, такива като еластичност и здравина.

Проводниците в управляващите магнити на LHC са изработени от сплав на ниобий и титан . С този материал LHC практически достигна до границите на възможното магнитно поле.

Физиците от Fermilab са използвали сплав на ниобий и калай (накратко наричано „ниобий-калай”). Теоретически с помощта на този материал може да се достигне магнитна индукция от 15 Тесла, която в момента е недостижима в LHC.

Изготвяйки от този материал прототип на управляващ магнит, учените са постигнали магнитно поле от 14,1 Тесла. Предишният рекорд е бил 13,8 Тесла и е поставен в Националната лаборатория Лоуренс (Lawrence Berkeley National Laboratory) в Бъркли преди 11 години.

За сравнение , сувенирен магнит на хладилник създава поле от порядъка на стотни части от Тесла, а магнитите, изпозвани в апарат за магнитно-резонансна томография – около 3 Тесла.

„Ние работим за преминаване на бариерата от 14 Тесла вече няколко години и затова преодоляването и е важна крачка за нас”, отбелязва ръководителя на проекта Александър Злобин (Alexander Zlobin).

Материалът „ниобий-калай” преминава в свръхпроводящо състояние при –268,65⁰С, която е малко по-висока от температурата на кипене на течния хелий при нормално налягане. По тази причина той може да бъде използван като хладилен агент, точно така, както се прави при действащите магнити в LHC. Това е скъпа, но отработена технология.

Трябва да се отбележи , че необий-калай има един съществен недостатък в сравнение с ниобий-титан. Новият материал е много чуплив.

„При проектирането на магнита трябва да се отчитат много променливи: параметрите на полето, свръхпроводниците, механичната структура и нейните характеристики при монтажа и експлоатацията, технологията на функциониране на магнита и начините за неговата защита по време на работа. Тези проблеми стават още по-важни при магнити с рекордни параметри”-обяснява Злобин.

По тази причина екипът е измислил ново техническо решение. От проводника „ниобий-калай” са били оплетени кабели с няколко десетки жила, като вида на плетката е бил специално избран. Кабелите се навиват на сърцевината. Бобината в продължение на няколко седмици се подлага на специална термообработка с най-висока температура от 650⁰С (именно това „нагряване” е променило структурата на материала, така че при охлаждане да се превърне в свръхпроводник). След това бобините са били оборудвани с железен хомот, имащ алуминиеви скоби. Цялата тази конструкция е била разположена в кожух от неръждаема стомана. Целта на тази иновативна конструкция е била да се предпази чупливия материал от създаваното мощно електромагнитно поле.

В такъв вид ,по думите на учените,  магнитът може да се поставя в колайдера. Но екипът не мисли да спре дотук. Те искат да достигнат до теоретичния предел от 15 Тесла, а след това да сменят материала и да достигнат значения от 17 , а даже и 20 Тесла.

Източник