Magnettestaufbau von Fermilab Ryan Postel/Fermilab
Magnete spielen eine enorme Rolle in der neuesten wissenschaftlichen Forschung. Ob es nun darum geht, neue Experimente in der Kernfusion oder in der Teilchenphysik zu ermöglichen, stärkere Magnete bedeuten mehr Durchbrüche.
Jetzt haben Physiker des Fermi National Particle Accelerator Laboratory einen Magneten entwickelt, mit dem sie die weltweit schnellsten Anstiegsraten für einen Teilchenbeschleuniger demonstrieren konnten.eine Presseerklärung enthüllt. Es ist ein Durchbruch, der es Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider LHC ermöglichen könnte, mit höheren Energieniveaus als je zuvor zu arbeiten.
Das Problem mit supraleitenden Magneten
Die Rampenrate eines Magneten ist die Zeit, die benötigt wird, um sein Magnetfeld zu erzeugen, sobald er elektrischen Strom erhält. Je höher die Energie der Teilchen ist, die durch einen Teilchenbeschleuniger rasen, desto stärker sind die Magnetfelder, die benötigt werden, um das Experiment in Betrieb zu halten. Der LHCfordert zum Beispiel Magnete von ungefähr acht Tesla, um seine Untersuchung zu ermöglichen das Higgs-Boson und andere Phänomene wie dunkle Materie und "Geisterteilchen" oder Neutrinos. Experimente mit Kernfusionsreaktoren, wie die Bill Gates-unterstützte SPARC haben beispiellose Werte von 20 Tesla erreicht.
Das Problem ist, dass es im LHC etwa 20 Minuten dauert, bis seine supraleitenden Magnete das erforderliche Niveau erreichen. Das liegt an einer langsamen Anstiegsratevon ungefähr 0,006 Tesla pro Sekunde. Obwohl supraleitende Magnete eine große magnetische Stärke bieten, verwenden die am schnellsten ansteigenden Hochenergie-Teilchenbeschleuniger tatsächlich Kupferleiter, die bei Raumtemperatur betrieben werden. Diese bieten jedoch eine niedrigere magnetische Spitzenfeldstärke. Ein Beispiel ist der 3-GeV-Protonenringbei JPARC in Japan, das ein Magnetfeld hat, das sich mit einer Geschwindigkeit von 70 Tesla pro Sekunde T/s auflädt und eine Spitze von 1,1 Tesla erreicht.
Ein Schub für zukünftige Teilchenbeschleunigerprojekte
Um eine Lösung für langsame Anstiegsgeschwindigkeiten in supraleitenden Materialien zu finden, die Forscher des Fermi National Particle Accelerator Laboratory bauten einen Magneten aus einem supraleitenden Material namens Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid YBCO. Der neue Magnet, detailliert in eine Forschungsarbeit, wurde mit einer Geschwindigkeit von 290 Tesla pro Sekunde hochgefahren und erreichte eine maximale magnetische Feldstärke von ungefähr 0,5 Tesla. Obwohl dies weit von den acht Tesla entfernt ist, die für den LHC erforderlich sind, sagte das Team hinter dem neuen Magneten, dass der PeakDie magnetische Feldstärke könnte durch Erhöhen des durch das Material fließenden elektrischen Stroms erhöht werden.
In ihrer Erklärung erklärten die Forscher, dass die „Entwicklung dieser schnell zyklierenden Magnete für die zukünftige Neutrinoforschung von entscheidender Bedeutung ist, darunter schnell zyklierende Protonen-Synchrotrons, Teilcheninjektoren für den vorgeschlagenen Future Circular Collider und das Design von gepulsten Myon-Collidern." Als nächstes sagten sie Sie werden weiterhin mit dem Material arbeiten, um zu sehen, ob sie andere Möglichkeiten finden können, die Spitzenmagnetfeldstärke zu erhöhen und vielleicht sogar die Rampenrate zu verbessern. Letztendlich hoffen sie, dass ihre Forschung in den kommenden 100 km eine entscheidende Rolle spielen könnte62 Meilen Zukünftiger Circular Collider, das voraussichtlich um das Jahr 2040 einsatzbereit sein wird, oder vielleicht sogar das vorgeschlageneTeilchenbeschleuniger für den Mond.