TiaSang
Thứ 3, Ngày 22 tháng 10 năm 2019
Đổi mới sáng tạo

Phòng thí nghiệm Fermi: Đạt kỷ lục thế giới về cường độ từ trường cho nam châm máy gia tốc

13/09/2019 07:39 -

Để xây dựng thế hệ máy gia tốc proton mới có khả năng gia tốc hạt lớn hơn, các nhà khoa học cần những nam châm mạnh nhất để có thể lái các hạt tới gần tốc độ ánh sáng lưu chuyển quanh một vòng tròn. Với một kích cỡ vòng tròn cho trước, để đưa năng lượng của chùm tia đạt mức cao hơn, các nam châm của máy gia tốc cần đạt được lực mạnh hơn để giữ cho chùm tia đi đúng hành trình của mình.

Nhóm nghiên cứu ở Phòng thí nghiệm Fermi. Nguồn: Thomas Strauss

Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Fermi của Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) mới loan báo họ đã đạt được cường độ từ trường ở mức cao nhất được ghi nhận cho một nam châm lái chùm tia trong máy gia tốc lập kỷ lục thế giới 14.1 tesla, với nam châm làm lạnh đến 4.5 kelvins hay âm 450 độ Fahrenheit. Kỷ lục trước là 13,8 tesla với cùng nhiệt độ do Phòng thí nghiệm quốc gia Mỹ Lawrence Berkeley thiết lập 11 năm trước.

Đây là nam châm mạnh gấp cả ngàn lần so với nam châm vẫn có trong tủ lạnh bảo quản thực phẩm của mọi người ở nhà.

Thành công này là dấu mốc lớn cho cộng đồng các nhà vật lý hạt, vốn đang tập trung tìm hiểu các thiết kế cho một máy collider tương tai có thể hỗ trợ họ như một máy gia tốc “kế vị” cỗ máy gia tốc hạt lớn Large Hadron Collider do Phòng thí nghiệm CERN vận hành từ năm 2009. Nó là một thiết bị mà người ta cần để có thể gia tốc các hạt proton đến mức năng lượng cao hơn nhiều lần so với những nam châm hiện có ở LHC.

Và họ đang kêu gọi cần có các nam châm lái chùm tia mạnh hơn nam châm ở LHC với cường độ từ trường khoảng 15 tesla.

“Chúng tôi đã nghiên cứu về việc phá vỡ mức bức tường kỷ lục 14 tesla trong nhiều năm, vì vậy việc đạt được mức này là một bước hết sức quan trọng với chúng tôi”, Alexander Zlobin, người phụ trách dự án ở Phòng thí nghiệm Fermi, nói. “Chúng tôi đã ghi nhận được mức cường độ từ trường 14,1 tesla với nam châm thử nghiệm cho 15 tesla của chúng tôi ngay lần đầu thực hiện.Do đó giờ đây chúng tôi đang tiếp tục triển khai công việc để tăng thêm một hoặc nhiều tesla từ chính nam châm đó”.

Thành công của máy gia tốc collider hadron năng lượng cao trong tương lai chủ yếu phụ thuộc vào tính khả thi của các nam châm có từ trường cao, và cộng đồng vật lý năng lượng cao quốc tế đang khuyến khích việc nghiên cứu hướng về phía nam châm liên kim loại niobi và thiếc (niobium-tin Nb3Sn) với cường độ từ trường 15 tesla.

Tại điểm trung âm của thiết kế nam châm này là một vật liệu siêu dẫn tiên tiến tên là niobium-tin.

Dòng điện chảy qua đó sinh ra một từ trường. Bởi vì dòng điện đó không gặp phải bất cứ điện trở nào khi vật liệu này được làm lạnh ở nhiệt độ rất thấp, nó không bị mất năng lượng và không sinh nhiệt. Dòng điện góp phần vào việc tạo ra từ trường, do đó nói cách khác, theo cách này thì người ta không mất chút lực từ nào cho điện hao.

Cường độ của từ trường phụ thuộc vào cường độ dòng điện mà vật liệu có thể nắm giữ. Không giống như  niobium-titanium được dùng trong các nam châm của máy gia tốc LHC hiện nay, niobium-tin có thể hỗ trợ một lượng lớn dòng điện cần thiết để khiến cho nó đạt đến mức từ trường 15 tesla. Tuy nhiên niobium-tin lại giòn và dễ bị vỡ khi vật thể đạt đến các mức lực cực lớn khi hoạt động bên trong nam châm của máy gia tốc.

Vì vậy nhóm nghiên cứu ở Phòng thí nghiệm Fermi đã phát triển một thiết kế nam châm có thể giúp cuộn vòng cuốn chống lại từng ứng suất và độ biến dạng mà nó có thể gặp trong quá trình vận hành. Hàng tá dây dẫn xoắn lại trong cáp khiến nó gặp phải những vấn đề cơ học và điện. Các cáp này đã ảnh hưởng đến cuộn vòng cuốn cảm ứng và được xử lý nhiệt tại các mức nhiệt độ cao trong xấp xỉ hai tuần, với nhiệt độ trần vào khoảng 1.200 độ Fahrenheit, để chuyển đổi các dây dẫn niobium-tin trong siêu dẫn tại các nhiệt độ vận hành. Nhóm nghiên cứu đã bọc hàng cuộn vòng cuốn trong một cấu trúc có nhiều nét đổi mới để tăng khả năng tạo ra một cái ‘gông” sắt với những cái kẹp bằng nhôm và một lớp vỏ sắt không rỉ để làm ổn định các vòng cuốn trước tác động của những lực điện từ cực lớn, có thể làm biến dạng cả vòng cuốn vốn rất  giòn này, cho đến khi làm giá trị của các dây dẫn niobium-tin.

Nhóm nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Fermi đã phải đưa rất cả những hiểu biết về đặc điểm thiết kế vào cân nhắc và dẫn đến kết quả này.

Đây là thành công hết sức lớn lao trong việc thúc đẩy một công nghệ mang tính cốt lõi cho các vành va chạm hình tròn có khả năng vượt qua cả LHC”, Soren Prestemon, nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Berkeley và giám đốc Đa phòng thí nghiệm Chương trình Phát triển nam châm Mỹ, bao gồm cả nhóm nghiên cứu Phòng thí nghiệm Fermi, nói. “Đây là một cột mốc xuất sắc cho cộng đồng quốc tế phát triển các nam châm này, và thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, những người sẽ sử dụng các chùm tia từ vành va chạm tương lai để mở rộng các biên giới của vật lý năng lượng cao”.

Và nhóm nghiên cứu Fermi đã hướng tới việc tạo ra dấu ấn của mình trong phạm vi 15 tesla.

“Có nhiều cách để cân nhắc để thiết kế một nam châm như vậy: các tham biến trường, dây dẫn và cáp siêu dẫn, cấu trúc máy móc và những thể hiện của chúng trong tích hợp và vận hành, công nghệ nam châm và bảo vệ nam châm trong suốt quá trình vận hành”, Zlobin nói.

Một vài tháng tới, nhóm nghiên cứu lập kế hoạch tái gia cố phần hỗ trợ về mặt cơ học của bộ dây và sau đó kiểm tra lại nam châm vào mùa thu. Họ chờ đợi sẽ đạt tới mục tiêu 15 tesla.

Hiện họ đang lập kế hoạch cho những mốc kỷ lục cao hơn trong tương lai.

“Trên cơ sở nền tảng thành công này của dự án và những bài học mà chúng tôi đã rút ra, chúng tôi đang lập hế hoạch để thúc đẩy trường trong các nam châm niobium-tin của các vành va chạm tương lai lên tới 17 tesla," Zlobin tiết lộ.

Sẽ không chỉ dừng ở đó. Zlobin nói họ có thể có khả năng thiết kế các nam châm chạm đến một trường 20 tesla bằng việc sử dụng những chi tiết chèn đặc biệt được làm từ các vật liệu siêu dẫn tiên tiến.

Dự án này do Văn phòng Khoa học Bộ Năng lượng Mỹ tài trợ và là một phần trong Chương trình phát triển Nam châm Mỹ, thu hút sự tham gia của các Phòng thí nghiệm quốc gia Fermi, Brookhaven, Lawrence Berkeley và Từ trường cao.

Thanh Phương dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-09-fermilab-world-record-field-strength-magnet.html