实验室是东西;他们没有感情。但如果他们真的这么做了，那么世界各地的六个高磁场实验室可能会感到有点羡慕欧洲核子研究中心(欧洲核研究组织)，他们的预算和知名度让他们相形见绌。更糟糕的是，一些不太了解磁铁实验室的游客经常询问那里正在进行的粒子物理研究。这有点像对亚历克不太出名的演员哥哥斯蒂芬·鲍德温(Stephen Baldwin)大谈你有多喜欢《我为喜剧狂》(30 Rock)。(需要说明的是，磁铁实验室的物理学家通常研究凝聚态物理学——固体材料的量子奥秘——而不是强子和夸克。)
欧洲核子研究中心在科学界的名气是可以理解的。毕竟，长期预测的希格斯玻色子就是在那里被观测到的，这是诺贝尔物理学奖的一个里程碑。它的大型强子对撞机(LHC)周长27公里(约17英里)，是有史以来为科学研究建造的最大仪器，横跨两个国家。世界上一半的粒子物理学家在欧洲核子研究中心工作。他们甚至创建了万维网!
然而，在任何像欧洲核子研究中心这样的登月规模的企业背后，都有大量的参与者，而磁铁实验室发挥着关键作用。这家欧洲实验室目前正在进行一项耗资10亿美元、历时10年的大型强子对撞机升级工程，该工程被称为高亮度大型强子对撞机(HL-LHC或简称HiLumi)，其中包括重新发明对其运行至关重要的数千个超导磁体中的一些。为此，欧洲核子研究中心与美国能源部(DOE)合作，一直在利用磁体研发专家的专业知识爱游戏提现客服国家强磁场实验室在佛罗里达州。
在HiLumi之外，欧洲核子研究中心更雄心勃勃的未来环形对撞机(FCC)即将问世，其周长可达100公里(约62英里)。即使有资金和建设，联邦通信委员会也要几十年才能建成。尽管如此，国家磁实验室和其他地方的科学家们一直在研爱游戏提现客服究可以满足该项目的苛刻规格的材料和技术。
寻找和测试最好的材料
磁铁是粒子加速器的支柱，负责将粒子聚焦成紧密的束，以接近光速的速度引导它们通过机器，并测量碰撞后的结果。为了实现HiLumi产生更多碰撞(以及更多希格斯玻色子)的目标，需要更强的磁铁。
“对科学家来说，这意味着物理学的发展速度快了10倍，”国家磁实验室副主任兰斯·库利(Lance Cooley)解释说。爱游戏提现客服库利是美国能源部HiLumi加速器升级项目(AUP)的经理，该项目耗资2.2亿美元，旨在建造数十个被称为四极的特殊磁铁，将HiLumi的粒子束聚焦在一起。
HiLumi的超导磁体将比目前对撞机磁体强50%，产生高达12的磁场特斯拉x特斯拉，或T，是磁场强度的单位;一个强的冰箱磁铁是0.01特斯拉，一台典型的核磁共振机是1.5到3特斯拉。MagLab最强的持久磁体磁场为45特斯拉。．(虽然这些对撞机磁铁比典型的约2特斯拉的MRI磁体强得多，但远不如国家磁实验室使用的研究磁体强大，后者的强度可达100特斯拉。爱游戏提现客服然而，MagLab的磁铁设计不同，用于不同的研究目的。)与大型强子对撞机现有磁体的电线由铌钛制成不同，新磁体的电线将由铌锡制成，铌锡在强磁场中表现更好。
库利是FAMU-FSU工程学院的机械工程教授，研究粒子加速器技术，他一直负责采购美国为HiLumi提供的聚焦磁铁所需的1,800公里(约1,118英里)电线。这条电线是由布鲁克公司按照欧洲核子研究中心的规格制造的。
Cooley请MagLab的物理学家Jun Lu监督产品的测试。卢之前已经测试了铌锡线用于ITER核聚变反应堆，另一个大型欧洲科学仪器，具有强大的磁铁，目前正在法国南部建设。但欧洲核子研究中心的项目是一种新的挑战。
“这种电线与ITER非常不同，”Lu说，他的测试确保这些电线在等待它们的高场低温环境中发挥作用。“虽然它也是铌锡，但内部微观结构不同。”卢补充说，铌锡对机械应变也很敏感，这使得它难以评估。
材料科学家凯尔·拉德克利夫(左)和鲍勃·沃尔什正在进行低温拉伸测试，以确定用于低温超导磁体的材料的性能和可靠性。
图片:Stephen Bilenky
一旦导线通过检测，它就会在劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)被编织成电缆，然后缠绕成线圈，以四为一组形成磁铁。爱游戏提现客服然后这些线圈被放入一个铝壳中，在低温冷却过程中压缩结构。MagLab的另一位专家、材料工程师鲍勃·沃尔什(Bob Walsh)一直在测试铝样品，看它们在制造和使用过程中如何承受极端温度。他通过在零下450华氏度(约合零下270摄氏度)的液氦中测试样品，测量了拉伸强度(撕开材料所需的力)和断裂韧性(材料破裂后保持的强度)。
他的测量可能看起来像是世界上最大的粒子加速器宏伟计划中的微小数据。但它们绝不是微不足道的:在一个测试磁铁的铝制外壳意外失败后，项目经理们找到了沃尔什的专业知识。
“为欧洲核子研究中心工作感觉很好，”沃尔什说，他是MagLab的资深人员，也为ITER项目测试过材料。“他们自己做了测试，他们依靠我们的专业知识来确保他们得到正确的答案。”
突破铌锡的极限
虽然HiLumi从8特斯拉磁铁到12特斯拉磁铁的飞跃是雄心勃勃的，但拟议中的FCC是一个完全不同的规模。“这是一项巨大的努力，旨在真正理解宇宙的潜在物理，”MagLab首席材料科学家大卫·拉巴里斯特(David Larbalestier)说。
Larbalestier和Cooley代表美国磁体发展计划管理团队的国家磁体爱游戏提现客服实验室，隶属于能源部高能物理办公室。该项目还包括合作伙伴LBNL、布鲁克海文国家实验室和费米实验室，正在探索未来对撞机的长期磁铁选择。爱游戏提现客服
FCC更大的设计需要更强的16特斯拉磁铁。(费米实验室的科学家们正在路上，2019年达到14.1特斯拉)．库利说，虽然HiLumi将使用10吨超导体，但FCC将需要9,000吨。
研究科学家Shreyas Balachandran(左)和William Starch在国家强磁场实验室应用超导中心绘制铌锡超导线的长度。爱游戏体育是什么爱游戏提现客服他们正在努力增加导线的电流，以制造出更强的磁铁。
图片:Stephen Bilenky
对如此多的强超导磁体的需求意味着将电线技术远远超越目前的限制。一些研究人员一直在研究街区里的新孩子，高温超导体(HTS)，作为下一代电线的关键成分。这些相对较新的材料——与老式的铌锡相比仅仅是婴儿——包括基于稀土元素和铋的化合物，并拥有铌锡无法企及的性能。研究人员正在积极研究这些化合物，它们仍然是FCC磁铁的强大候选。但也有缺点。
“高温超导最近的发展显示出很大的希望。但高温超导的问题在于成本。”MagLab研究员Shreyas Balachandran说。“它们目前的成本是铌合金的5到10倍。如果你需要制造几公里长的电线，这真的不是一个选择。”
巴拉钱德兰把赌注押在了另一种超导体上:那就是老式的备用铌锡。
铌锡在20世纪50年代中期被发现是一种超导体，半个多世纪以来一直是核磁共振(NMR)机器的主力。它一直是可靠和可预测的，即使它作为目前的运营商的表现在10年前达到了顶峰。
至少人们是这么认为的。最近国家磁实验室的研究爱游戏提现客服其他地方已经证明，铌锡在下一代粒子加速器上的前景远比已经实现的要大得多。
几十年来，铌锡的制造方法或多或少都是相同的。但是去年Balachandran和MagLab的其他同事调整了这个配方，并取得了显著的效果。通过在混合物中加入铪或锆元素，他们将导线的导电能力提高了50%。更多的电意味着更强的电磁铁。
“这是一种简单的修复方法，”这篇论文的通讯作者Larbalestier说。“事实上，在这种情况下，令人惊讶的是，这种改进非常显著。”
这些断口图像显示了传统的铌锡线(左)和铌锡线与一些铪(右)。含铪样品具有更小的晶粒(小于100纳米)，这意味着在给定区域有更多的晶界。这一特性使超导体具有更好的性能。
图片:Shreyas Balachandran
铪(或锆)的存在改变了铌合金的结构，导致更小的铌锡晶体，因此在任何给定的区域，这些晶粒之间有更多的边界。更多的边界是好的，因为当在磁铁中，它们固定，或“销钉”，磁通量线，这提高了超导电流密度。
“晶界越多，导体就越好，”Balachandran总结道。我们已经展示过性能没有内在的限制. ...这些结果使磁体界认识到，添加铪可能是铌锡的未来。”
俄亥俄州立大学的研究人员Mike Sumption说，也取得了进展试验铌锡制造技术。他和他的国际团队一直在开发一种含爱游戏提现客服有氧化锆的配方。
“我们很高兴在一种非常实用的材料上取得了很大的进展，”Sumption在国家磁实验室最近的实验中说。爱游戏提现客服
Balachandran说，然而，他们的配方需要不同的生产方法，而使用他的团队的铪调整制成的金属丝可以使用传统的金属丝结构制造。
拉塔兰蒂尼
MagLab的物理学家Chiara Tarantini说:“我们认为在商业电线中掺杂铪相对容易。”他是该论文的合著者，也是他们代表欧洲核子研究中心进行这项研究的主要研究员。“你不需要完全改变导体的设计。”
研究团队正在利用MagLab工具和专业知识来了解大规模工业制造新合金的可行性，并测试超导性能的原型导体。巴拉钱德兰说，MagLab为这种快节奏的研发提供了一个独特的合作环境。“如果你有好的想法，你就有探索它们的自由，”他说。“从来没有人阻止过我。”
我们认为铪掺杂在商用电线中较为容易实现。你不需要完全改变导线的设计。
——基娅拉·塔伦蒂尼
同样，没有人阻止过MagLab的年轻人才走出校园——他们也不想这样做。MagLab使CERN受益的一个关键方式是将其早期职业科学家输出到其他支持HiLumi和FCC任务的设施。这就是克里斯·西格尔(Chris Segal)的遭遇，他在佛罗里达州立大学(Florida State University)进行机械工程研究生研究，并在MagLab研究铌锡线。西格尔致力于改进用管中粉末法制造的线材，介绍了热处理技术可以提高钢丝在应力下的性能在高地上。
一个博士后职位把Segal带到了欧洲核子研究中心，在那里他了解到HiLumi材料在压力下测试时有改进的空间。
“然后我说，‘这很有趣，因为我有这种热处理，可能有助于解决这个问题。’”
研究更好的超导体不仅有利于物理学家和粒子对撞机:这种材料也用于核磁共振成像和核磁共振机器，帮助科学家了解疾病的分子结构及其对身体的影响。然而，机械工程教授库利从十几岁起就投身于粒子物理学。就在那时，他遇到了物理学家吉姆·克罗宁(Jim Cronin)，后者最近因为发现k介子衰变中的物质-反物质不对称而获得了诺贝尔奖。
“从那时起，”库利有点兴奋地说，“在过去的35年里，我一直在以某种方式为高能物理学做一些事情。”
当然，其他实验室很难与欧洲核子研究中心(CERN)的亚原子破坏竞赛中飞驰而过的粒子竞争。但当你在帮助制造机器的维修站工作时，你就不再是竞争了:你是团队的一员。
克里斯汀·科因的故事
