美國能源部(DOE)勞倫斯-伯克利國家實(shí)驗(yàn)室(Berkeley Lab)在制造關(guān)鍵的超導(dǎo)電纜的多年過程中已經(jīng)過了一半，這是升級歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)項(xiàng)目的一部分。目前正在進(jìn)行的這一升級，將大大提高該設(shè)施的碰撞率和科學(xué)生產(chǎn)力。

高亮度LHC加速器升級項(xiàng)目，或HL-LHC AUP，是美國對LHC設(shè)施升級的一個多機(jī)構(gòu)貢獻(xiàn)。這個項(xiàng)目的總部設(shè)在美國能源部的費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室(Fermilab)。

一組更強(qiáng)大的聚焦磁鐵，被稱為 "內(nèi)三重"，計劃安裝在大型強(qiáng)子對撞機(jī)的相互作用點(diǎn)的兩側(cè)，獨(dú)立的質(zhì)子束在那里碰撞。通過在相互作用點(diǎn)將質(zhì)子束擠壓到更高的密度，這些更強(qiáng)大的聚焦磁鐵將在機(jī)器的生命周期內(nèi)增加至少10倍的碰撞次數(shù)。這將大大增加發(fā)現(xiàn)新物理學(xué)的機(jī)會。

HL-LHC AUP聚焦磁鐵的線圈由銅基中的先進(jìn)鈮錫(Nb3Sn)超導(dǎo)體制成。伯克利實(shí)驗(yàn)室的關(guān)鍵貢獻(xiàn)之一是制造所有用于磁體的電纜。這項(xiàng)任務(wù)在2021年1月達(dá)到了一半的目標(biāo)。

費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的AUP項(xiàng)目經(jīng)理喬治-阿波利納里在談到這一里程碑時說："這是一個偉大的'轉(zhuǎn)折點(diǎn)'成就，因?yàn)樗鬼?xiàng)目能夠繼續(xù)不受阻礙地生產(chǎn)這些關(guān)鍵的HL-LHC AUP磁體。"

伯克利實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目負(fù)責(zé)人和伯克利磁體技術(shù)中心(BCMT)主任Soren Prestemon補(bǔ)充說："這個半程標(biāo)志對我們的布線團(tuán)隊來說是一個巨大的里程碑，他們?yōu)轫?xiàng)目提供了特別的服務(wù)，考慮到COVID限制下現(xiàn)場工作的復(fù)雜性，這就更加了不起。"

在能源部的項(xiàng)目管理過程中，整個AUP最近獲得了關(guān)鍵決定3(CD-3)的批準(zhǔn)，為磁體本身的系列化生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。電纜制造已經(jīng)在一種管理方法下開始，在磁體的系列生產(chǎn)之前，諸如電線采購和電纜制造等周期長的項(xiàng)目已經(jīng)獲得批準(zhǔn)。

"伯克利實(shí)驗(yàn)室加速器技術(shù)和應(yīng)用物理部(ATAP)主任Cameron Geddes說："AUP項(xiàng)目利用了伯克利實(shí)驗(yàn)室在先進(jìn)Nb3Sn磁鐵技術(shù)方面的廣泛專業(yè)知識和能力。ATAP和工程部成立了BCMT，以便在先進(jìn)的磁體設(shè)計方面聯(lián)合起來。Geddes補(bǔ)充說："這個關(guān)鍵的里程碑顯示了實(shí)驗(yàn)室對該項(xiàng)目的承諾以及該團(tuán)隊實(shí)現(xiàn)其挑戰(zhàn)性要求的獨(dú)特能力。"

從導(dǎo)體到電纜到磁鐵

大多數(shù)人都見過或甚至制造過由單個電線線圈制成的電磁鐵，這是學(xué)校科學(xué)展和消費(fèi)產(chǎn)品中熟悉的項(xiàng)目。然而，有很多原因說明這些東西在加速器磁體中不能很好地工作。相反，加速器使用由多股超導(dǎo)線材組成的電纜。這些電纜是平的，具有矩形或非常輕微的梯形 "鍵合 "截面，這種外形被稱為 "盧瑟福式"，是根據(jù)英國盧瑟福-阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計開發(fā)的。

鄭丹正在進(jìn)行磁鐵組裝。資料來源：Marilyn Sargent/伯克利實(shí)驗(yàn)室

盧瑟福電纜在其寬面上彎曲時是靈活的，這使得線圈的纏繞很容易。然而，電纜薄邊的股線嚴(yán)重變形，其熱電穩(wěn)定性可能會下降，因此必須仔細(xì)監(jiān)測和控制塑形。

整個AUP團(tuán)隊得到了美國能源部科學(xué)辦公室的支持，由六個美國實(shí)驗(yàn)室和兩所大學(xué)組成。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室、布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室、SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室和托馬斯杰斐遜國家加速器設(shè)施(都是DOE國家實(shí)驗(yàn)室)，以及國家高磁場實(shí)驗(yàn)室、老多明尼克大學(xué)和佛羅里達(dá)州立大學(xué)。在設(shè)計、建造和測試這些先進(jìn)磁體及其組件的挑戰(zhàn)中，每個人都帶來了獨(dú)特的優(yōu)勢。工業(yè)合作伙伴提供超導(dǎo)線材。

伯克利實(shí)驗(yàn)室將電纜運(yùn)到費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室或布魯克海文，制成線圈并進(jìn)行反應(yīng)(熱處理)以激活其超導(dǎo)性。反應(yīng)后的線圈被送回伯克利實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室用它們來制造四極磁鐵。這篇最近的文章深入介紹了多個機(jī)構(gòu)如何利用其互補(bǔ)的優(yōu)勢為AUP制造磁鐵。

"這些磁體是超過15年的技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，從LARP(大型強(qiáng)子對撞機(jī)加速器研究計劃)合作開始，"伯克利實(shí)驗(yàn)室工程部的Dan Cheng說。

鷹眼看質(zhì)量，大有合作心

今年慶祝成立90周年的伯克利實(shí)驗(yàn)室在設(shè)計和建造加速器方面有著悠久的國內(nèi)和國際合作歷史，其超導(dǎo)磁體專業(yè)技術(shù)可以追溯到20世紀(jì)70年代初。

伯克利實(shí)驗(yàn)室的行星運(yùn)動布線機(jī)是在20世紀(jì)80年代初設(shè)計和安裝的，多年來一直得到不斷的升級。它為能源部的大量項(xiàng)目做出了貢獻(xiàn)，如費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的泰瓦特龍升級，然后是超導(dǎo)超級對撞機(jī)的早期開發(fā)。今天，該布線設(shè)施是伯克利實(shí)驗(yàn)室超導(dǎo)磁體活動的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。

布線設(shè)施還擁有一套世界級的質(zhì)量保證系統(tǒng)來監(jiān)測電纜的性能。其中包括一臺在線電纜測量機(jī)，可以在設(shè)定的壓力下測量電纜的尺寸參數(shù);一個在線攝像系統(tǒng)，可以記錄制造的電纜所有四面的每一毫米，并進(jìn)行圖像分析;以及一個專門設(shè)計的低溫冷卻系統(tǒng)，用于重復(fù)測量關(guān)鍵參數(shù)。

組裝和使用這些設(shè)備的人都在伯克利實(shí)驗(yàn)室的ATAP和工程部門。ATAP的職員科學(xué)家和伯克利實(shí)驗(yàn)室HL-LHC AUP的布線經(jīng)理Ian Pong說："我們不僅有世界一流的設(shè)備來制造最先進(jìn)的超導(dǎo)電纜，而且最重要的是，有一個世界一流的團(tuán)隊，他們對質(zhì)量有一雙鷹眼，對項(xiàng)目有一顆合作的誠心。"

Apollinari說："由Ian領(lǐng)導(dǎo)的伯克利實(shí)驗(yàn)室小組在Nb3Sn電纜的高質(zhì)量生產(chǎn)中表現(xiàn)突出，不僅滿足了苛刻的質(zhì)量保證和控制要求，而且實(shí)現(xiàn)了大大超過此類活動預(yù)期產(chǎn)量的生產(chǎn)。這顯然對AUP項(xiàng)目有很大幫助，無論是從經(jīng)濟(jì)角度還是從進(jìn)度角度。