Всеукраїнський загальнополітичний освітянський тижневик
Персонал Плюс - всеукраїнський тижневик

Створено рекордне магнітне поле для прискорювачів майбутнього

Фізики згенерували поле, рекордне для керуючого магніту прискорювача.

Учені з Національної прискорювальної лабораторії імені Фермі (США) поставили рекорд по напруженості магнітного поля, керуючого рухом частинок в прискорювачі. Досягнення повинно допомогти побудувати коллайдер, що перевершує БАК, і, можливо, вирватися на простори нової фізики.

Нагадаємо, що в подібних пристроях частинки роблять багато оборотів в кільці прискорювача, з кожним проходом набираючи  все більшу швидкість. Але частка, надана сама собі, буде летіти прямолінійно, поки не вріжеться в стіну тунелю. Щоб змусити її повернути, потрібна діюча на неї сила. І ця сила діє з боку магнітного поля керуючих магнітів.

Фізики прагнуть розігнати частинки як можна сильніше, адже при зіткненнях частинок з великою енергією можуть виникнути явища, які раніше не спостерігалися. Наприклад, знамените відкриття бозона Хіггса стало можливим тільки тому, що Великий адронний коллайдер повідомляє протонам рекордну енергію.

Але чим швидше летять частинки, тим потужніше має бути керуюче поле, щоб вони його "слухалися". Магніти, що працюють на БАК, не підійдуть для ще більш масштабного прискорювача, який фізики сподіваються коли-небудь побудувати. Тому вчені займаються розробкою більш сильних магнітів.

При слові "магніт" більшість з нас згадає про постійні магніти на кшталт тих, які ми привозимо з подорожей, щоб прикріпити до холодильника. Навколо таких об'єктів постійно присутнє магнітне поле, тому ці магніти і називаються постійними. Але всі подібні тіла створюють занадто слабкі поля, щоб використовувати їх на прискорювачах.

Тому на колайдерах застосовуються електромагніти. По суті, це просто котушки дроту. Коли по провіднику тече струм, він створює магнітне поле.

Але в звичайному дроті лише частина енергії струму йде на генерацію поля. Вся інша потужність перетворюється в теплоту через електричний  опір  речовини. Тому не можна генерувати все більш сильне поле, просто підвищуючи силу струму. Провід розплавиться, перш ніж напруженість поля досягне величини, яка потрібна на сучасних прискорювачах.

Фізики виходять з положення, використовуючи надпровідний дріт. Електричний  опір надпровідника строго дорівнює нулю, тому при протіканні струму не виділяється тепло. Тим самим вся енергія струму переходить в енергію магнітного поля. Це дозволяє створити дуже сильні поля.

Однак надпровідність-примхливий стан. Практично завжди вона досягається лише при дуже низькій температурі (а коли цього не потрібно, виникають інші майже нездійсненні умови). Наприклад, чисте олово стає надпровідником приблизно при -269,4 °C, чистий титан – при -272,8 °C. Створювати і підтримувати такі температури дуже важко.

До того ж у кожного надпровідника є максимальне значення магнітного поля, яке можна створити з його допомогою. При перевищенні цієї межі саме поле руйнує надпровідний стан. Потрібно враховувати і інші характеристики матеріалу, наприклад, його міцність і гнучкість.

Дріт в керуючих магнітах БАК виготовлений із з'єднання ніобію і титану. Але поле, досягнуте на цьому прискорювачі, практично є межею для цього матеріалу. Керуючі магніти більш потужних колайдерів потрібно робити з чогось іншого.

Фізики з лабораторії застосували з'єднання ніобію і олова (коротко позначається просто "ніобій-олово"). Теоретично з його допомогою можна отримати магнітну індукцію до 15 тесла (недосяжна величина для обладнання БАК).

Виготовивши з цієї речовини прототип керуючого магніту, фізики отримали магнітне поле в 14,1 тесла. Попередній рекорд становив 13,8 тесла і був поставлений в Національній лабораторії імені Лоуренса в Берклі (США) 11 років тому.

Для порівняння: сувенірний магніт на холодильнику створює поле порядку сотої частки тесла, а магніти в апараті для МРТ – приблизно трьох тесла. Людство вміє створювати поля і в кілька тисяч тесла, але лише на дуже короткий час.

"Ми працюємо над подоланням бар'єру в 14 Тесла вже кілька років, тому досягнення цієї оцінки є важливим кроком", – зазначає керівник проекту Олександр Злобін (Alexander Zlobin).

До речі, ніобій-олово переходить в надпровідний стан при -268,65 °C, що трохи вище температури кипіння рідкого гелію при нормальному тиску. Тому останній можна використовувати як холодоагент, точно так само, як це робиться з діючими магнітами БАК. Це дорога, але вже відпрацьована технологія.

Однак ніобій-олово має істотний недолік в порівнянні з ніобієм-титаном. Це крихка речовина. Тому, перефразовуючи відомого кіногероя, не можна просто взяти і зробити з нього керуючі магніти так само, як вони робилися для БАК. Матеріал зруйнується під дією механічної напруги, що виникає при роботі коллайдера.

"При проектуванні магніту потрібно враховувати так багато змінних: параметри поля, надпровідність  дроту та кабелю, механічну структуру та її характеристики при збірці і експлуатації, технологію [функціонування] магніту і [способи] захисту магніту під час роботи, – пояснює Злобін. - Всі ці проблеми ще важливіші для магнітів з рекордними параметрами".

Розробники створили нове технічне рішення. З ніобій-олов’яного дроту були скручені кабелі по кілька десятків жив, причому вид скрутки був спеціально підібраний. Кабелі намотувалися на котушку. Котушки протягом декількох тижнів піддавалися термообробці з піковою температурою близько 650 °C (саме таке "прогрівання" змінило структуру матеріалу так, щоб при охолодженні він перетворювався в надпровідник). Потім обпалені котушки були забезпечені залізним ярмом (деталь електромагніту) з алюмінієвими затискачами. Вся конструкція була укладена в кожух з нержавіючої сталі.

У такому вигляді, на думку розробників, магніт вже можна ставити на колайдер. Але фізики не мають наміру зупинятися на досягнутому. Вони збираються довести магнітну індукцію до теоретичної межі в 15 тесла, після чого змінити матеріал і домогтися 17 і навіть 20 тесла.

вгору

© «ПЕРСОНАЛ ПЛЮС». Усі права застережено.

Передрук матеріалів тільки за згодою редакції.
При розміщенні матеріалів в Інтернет обов’язкове посилання на сайт видання. Погляди авторів можуть незбігатися з позицією редакції

З усіх питань звертайтеся, будь ласка, gazetapplus@gmail.com