Перемещение массивных магнитов: использование электромагнитов в исследованиях
Планирование маршрута, переоборудование и подготовка
Инженеры и учёные отправляют массивные магниты из национальных лабораторий Министерства энергетики США (DOE) в автомобильные путешествия через всю страну.
Магниты в научных инструментах
Магниты лежат в основе многих научных инструментов в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США. Они не похожи на обычные магниты для холодильников, которые применяют относительно слабое и равномерное воздействие на магнитные материалы. Эти электромагниты часто невероятно велики и мощны, с переменными полями, которые можно контролировать, изменяя электрический ток, проходящий через них.
Применение в физике
Одним из их применений является приложение магнитной силы к субатомным частицам. Например, Релятивистский коллайдер тяжёлых ионов (RHIC) состоит из сверхпроводящих электромагнитов, которые направляют и фокусируют пучки частиц, когда они циркулируют через ускоритель со скоростью, близкой к скорости света.
Перепрофилирование магнитов
Для создания этих магнитов с нуля или закупки новых исследовательские центры должны вкладывать значительные средства. К счастью, когда эксперименты модернизируются или выводятся из эксплуатации, исследователи иногда могут повторно использовать магниты для новых целей. Те же самые электромагниты могут использоваться десятилетиями, помещаться в модернизированные машины для сбора более точных данных или даже использоваться в совершенно новых машинах для проведения научных исследований.
Модернизация RHIC и создание EIC
После 25 лет новаторских исследований в области ядерной физики RHIC завершает свой последний цикл работы в этом году. После финальных столкновений Брукхейвен начнёт преобразование этого объекта Министерства энергетики США в Электрон-ионный коллайдер (EIC), первый в мире коллайдер такого рода.
В рамках модернизации будет повторно использована значительная часть существующей инфраструктуры RHIC, включая одно из колец сверхпроводящих магнитов ионов, но для EIC требуется новое накопительное кольцо для электронов. Для создания этого кольца дизайнерам EIC потребуются сотни электромагнитов, чтобы направлять электроны по туннелю длиной 2,4 мили.
К счастью, в Иллинойсе в Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, объекте Министерства энергетики США, называемом Advanced Photon Source (APS), недавно была проведена масштабная модернизация. Учёные из APS в партнёрстве с Брукхейвенской лабораторией перепрофилировали свои электромагниты для EIC. Аргоннская лаборатория отправила сотни своих 30-летних магнитов, которые всё ещё находятся в расцвете сил и безопасно используются, в Брукхейвен и Национальную лабораторию Томаса Джефферсона Министерства энергетики США, партнёра Брукхейвена по созданию EIC.
Экономия средств и ресурсов
«Это благородная цель — повторно использовать и перепрофилировать эти магниты по многим причинам, наиболее важными из которых являются экономия средств и времени, а также отсутствие перегрузки мировой базы производителей магнитов», — сказал Джордж Малер, руководитель группы EIC Magnet Systems, который курирует команды, получающие магниты APS в Брукхейвене. «В целом EIC потребует около 4000 таких магнитов».
Малер estimates that a brand-new sextupole magnet, one kind of magnet that makes up the electron storage ring, can cost up to $60,000. Sextupole magnets are named for their six inner magnetic poles, which correct focusing errors as the electron beams zip around the storage ring. Brookhaven Lab received about 360 quadrupole and sextupole magnets from APS in total, worth about $21 million.
Переработка и продажа материалов
Помимо повторного использования магнитов, проект EIC будет перерабатывать или продавать неиспользованные материалы, такие как медь, алюминий и другие металлы, на металлолом, что сэкономит дополнительно $600 000.
История сохранения и повторного использования магнитов в Брукхейвене
Повторное использование магнитов для крупных физических экспериментов — не новая идея для Брукхейвена. Лаборатория имеет долгую историю экономии лет и миллионов долларов за счёт повторного использования ценного оборудования.
В RHIC бывший детектор PHENIX был модернизирован для создания эксперимента sPHENIX, который начал работу в 2023 году. Среди прочих обновлений добавление нового соленоидального магнита позволило физикам собирать более точные измерения столкновений частиц. И хотя сам магнит не был новым, он пришёл из Национальной ускорительной лаборатории Министерства энергетики США в Калифорнии, из эксперимента BaBar, который был выведен из эксплуатации в 2008 году.
Перемещение магнитов
В июне прошлого года в новостях появился ещё один мегамагнит, совершивший путешествие через всю страну. Лаборатория Ферми Министерства энергетики США попала в заголовки новостей, опубликовав наиболее точные измерения магнитной аномалии мюона.
17-тонный электромагнитный накопитель, который сделал это исследование возможным, начал свою научную жизнь 25 лет назад в более раннем эксперименте «мюон g-2» в Брукхейвенской лаборатории. Эксперимент в Брукхейвене обнаружил явные намёки на захватывающее новое открытие. Эти намёки послужили мотивацией для идеи переместить кольцо в Фермилаб, чтобы повторить эксперимент с более мощным пучком, генерирующим мюоны.
Команда учёных и инженеров из Брукхейвенской лаборатории и Фермилаб столкнулась с загадкой: как доставить магнитное кольцо диаметром 50 футов с Лонг-Айленда в Иллинойс?
Перемещение магнита: от Лонг-Айленда до Иллинойса
«Сотрудничество Фермилаб рассмотрело результаты Брукхейвена и подсчитало, что они могут получить в 20 раз больше мюонов», — объяснил физик Билл Морс, который руководил командой физиков, координировавших «Большой переезд».
Для каждого из этих перемещений магнитов учёные и подрядчики национальных лабораторий Министерства энергетики США рассчитывали длинные маршруты, чтобы защитить магниты и вызвать как можно меньше перебоев в движении транспорта, уделяя особое внимание безопасности. После каждой поездки магнита через всю страну команды подвергали груз тщательным испытаниям, чтобы убедиться, что все компоненты работают после тряски в грузовиках и на лодках.
Заключение
Магниты, лежащие в основе эксперимента sPHENIX, в накопительном кольце Muon g-2 и предназначенные для EIC, было бы невероятно дорого и времязатратно воспроизводить с нуля. Неудивительно, что лаборатории стремятся использовать эти магниты для совершенно новых экспериментов на переднем крае науки.
В ближайшие годы может появиться ещё больше автомобильных путешествий через всю страну для создания научных инструментов будущего.