Аннотация:
ЦЕРН, Европейская организация ядерных исследований, разрабатывает новое поколение сверхпроводящих магнитов для следующего этапа модернизации Большого адронного коллайдера (БАК). Эти магниты, в которых используются новые материалы и производственные процессы, в ходе испытаний достигли напряженности магнитного поля 11,3 Тесла и станут важной частью будущего Большого адронного коллайдера высокой яркости.
Большой адронный коллайдер использует чрезвычайно мощные магнитные поля для управления пучками частиц, позволяя частицам перемещаться и сталкиваться со скоростями, близкими к скорости света, тем самым помогая ученым изучать основной состав материи. В настоящее время БАК может совершать около 40 миллионов столкновений в секунду за один эксперимент, при этом число частиц, участвующих в каждом столкновении, составляет около 60. Постоянно увеличивая частоту столкновений и количество частиц, ученые могут более эффективно искать редкие частицы и ранее не наблюдавшиеся физические явления.
Следующий этап проекта модернизации, который продвигает ЦЕРН, называется Большой адронный коллайдер высокой светимости (БАК высокой светимости), на котором ожидается запуск нового раунда экспериментов после 2030 года. Целью после модернизации является увеличение количества частиц, участвующих в каждом столкновении, со 140 до 200, сохраняя при этом частоту столкновений около 40 миллионов раз в секунду. Так называемая «высокая яркость» относится к тому факту, что в единицу времени может происходить больше столкновений частиц, тем самым увеличивая вероятность открытия редких физических явлений.
Для этого коллайдеру потребуются компактные и надежные магниты с более сильными магнитными полями. В традиционных дипольных магнитах БАК используются сверхпроводящие катушки из ниобия и титана (NbTi), а интенсивность магнитного поля может достигать 8,3 Тесла, что примерно в 166 000 раз превышает интенсивность магнитного поля Земли. Однако характеристики ниобий-титанового материала близки к верхнему пределу напряженности магнитного поля, которого он может достичь, поэтому в новом поколении квадрупольных магнитов начали использовать сверхпроводящие материалы ниобий-олово (Nb₃Sn) с целевой напряженностью магнитного поля, близкой к 12 Тесла.
Одна из основных трудностей модернизации технологии заключается в том, что ниобий-оловянные материалы имеют совершенно другие механические свойства, чем традиционные ниобий-титановые материалы. Ниобий-титан обладает хорошей пластичностью, его можно сгибать и наматывать после формирования сверхпроводящего материала; ниобий-олово очень хрупкий и не может выдержать большое механическое напряжение, возникающее в процессе намотки катушки после образования сверхпроводящей фазы.
Чтобы решить эту проблему, исследователи применили производственный процесс под названием «Wind-and-React». Проще говоря, материал, который еще не сформировал конечную сверхпроводящую фазу, наматывается в катушку, а затем посредством высокотемпературной термообработки происходит реакция ниобия и олова, и, наконец, образуется сверхпроводящий материал ниобий-олово.
В ходе конкретного производственного процесса исследовательская группа сначала использовала сверхпроводящий кабель длиной 760 метров и намотала его вокруг центральной рамы, сформировав набор катушек длиной около 7,2 метра и диаметром отверстий 150 миллиметров. Затем рулоны помещаются в среду инертного газа для строго контролируемой термической обработки.
Процесс термообработки длится несколько дней, при этом температура последовательно повышается, некоторое время оставаясь на уровне около 210 градусов по Цельсию и 400 градусов по Цельсию, и, наконец, достигает около 650 градусов по Цельсию. После этого процесса ниобий и олово в кабеле вступают в химическую реакцию с образованием соединения ниобия и олова со сверхпроводящими свойствами.
Поскольку материал ниобия и олова после формирования очень хрупок, при последующем обращении с катушкой необходимо проявлять особую осторожность. Любой чрезмерный изгиб или механическая деформация может повредить сверхпроводящий материал и повлиять на электрические характеристики и структурную надежность магнита.
После завершения термообработки исследователи также используют жидкую эпоксидную смолу для обработки катушки, позволяя смоле заполнить внутренние пустоты, трещины и зазоры, а затем затвердеть в твердую полимерную структуру, чтобы улучшить механическую стабильность катушки.
Этот производственный проект возглавляет команда из примерно 60 человек под руководством инженера-магнитотехника ЦЕРН Сусаны Искьердо Бермудес. Она занимается исследованиями и разработками новых магнитов с 2012 года, и ее работа включает в себя тестирование обмотки катушки, электромагнитное проектирование, механическое проектирование, производство и проверку производительности.
Согласно результатам исследования, опубликованным исследовательской группой в журнале IEEE Transactions on Applied Superconductivity, для проекта модернизации БАК они изготовили более 120 катушек для магнитов длиной 4,5 метра и более 70 катушек для магнитов длиной 7,2 метра. Для каждого квадрупольного магнита требуется четыре катушки.
В результате всего проекта было произведено 250 катушек, из которых 25 не соответствовали требованиям качества из-за человеческой ошибки, а также дефектов электрических или механических характеристик в процессе производства. Исследователи отметили, что этот тип сверхпроводящего магнита требует чрезвычайно высокой точности изготовления, и даже очень небольшие дефекты могут сделать всю катушку непригодной для использования. Была катушка, которую пришлось утилизировать, поскольку предполагалось, что между обмоткой и защитным компонентом попала металлическая частица, что могло повлиять на ее рабочие характеристики.
В сентябре этого года команда завершила контрольные испытания магнита длиной 7,2 метра и подтвердила, что его пиковая напряженность магнитного поля достигла 11,3 Тесла. Магниты в настоящее время работают хорошо, и исследователи начали продолжать производство запасных катушек и магнитов для удовлетворения потребностей будущих проектов модернизации LHC.
Это достижение является не просто стремлением к более высоким значениям магнитного поля, но означает, что ЦЕРН продвинул сверхпроводящие материалы из ниобия и олова от лабораторных исследований и разработок до крупномасштабного этапа инженерного производства со строгим контролем качества. В Большом адронном коллайдере высокой яркости более сильное магнитное поле поможет исследователям более эффективно управлять пучками частиц, позволяя коллайдеру достигать более высоких возможностей столкновения частиц в заданном пространстве, обеспечивая ключевую инфраструктуру для экспериментов по физике элементарных частиц после 2030 года.
Это исследование было опубликовано в журнале «IEEE Transactions on Superconducting Applications» 24 сентября 2026 года. 10 ноября IEEE Spectrum обновил отчет, исправив количество столкновений частиц в каждом эксперименте.
Комментарии