下一代粒子加速器磁铁以创纪录的速度加速

费米实验室的高温超导体加速器磁铁测试装置瑞安·波斯特尔/费米实验室

磁铁在物理研究中的作用至关重要，它有助于引导粒子束的轨迹，从而实现高速碰撞和突破性发现。但并非所有磁铁都是一样的，有些磁铁比其他磁铁更快地产生所需的磁场。费米国家粒子加速器实验室的物理学家已经开发出一种在这方面超越以往的加速器，并用它来证明他们所描述的世界上最快的粒子加速器磁体加速速率。

大型强子对撞机 (LHC)等设备内的磁场是世界上最强大的粒子加速器，当粒子以接近光速的速度绕着圆形腔室旋转时，它们有助于使粒子保持在轨道上。发挥作用的能量越高，保持实验运行所需的磁场就越强，大型强子对撞机需要大约 8 特斯拉的磁场。

但是负责产生该磁场的超导磁铁需要大约 20 分钟才能达到该水平，并以每秒 0.006 特斯拉左右的速度缓慢上升。在室温下使用带有铜导体的磁铁而不是超导线的粒子加速器能够以更高的速度加速。其中包括日本 J-PARC 世界上强度最高的中子束，其充电速率为每秒 70 特斯拉，以及费米实验室自己的 8-GeV 增强环，其充电速率为每秒 30 特斯拉。

将超导磁性用于这些目的的一个问题是形成大热点，这些热点随着场幅度和斜坡速率而增加。就传统超导材料的工作温度而言，其固有的误差幅度也很小，只需稍微增加温度即可使其转变为正常的导电和电阻状态。

物理学家和研究作者 Henryk Piekarz 在费米实验室工作瑞安·波斯特尔/费米实验室

费米实验室的科学家们相信，他们已经在一种被称为钇钡铜氧化物 (YBCO) 的材料中找到了解决这个问题的方法，该材料以其高温超导性而闻名，正如我们在 2011 年看到的，它在磁悬浮领域的潜力。使用这种材料，该团队构建了一个可以在 6 到 20 开尔文的温度下工作的磁铁，并可以处理 1,000 安培的电流。

对这种新型高温超导磁体进行测试，该团队表明它可以以每秒 290 特斯拉的速度上升，并实现约 0.5 特斯拉的峰值磁场强度。这显然与 LHC 上展示的 8 特斯拉相去甚远，但科学家们表示，通过增加流经磁铁的电流可以实现更高的场强。

科学家们将继续试验他们的创造，努力扩大电源，并可能实现更高的斜坡率。他们认为这项技术将在未来的各种实验中发挥作用，包括中微子研究和计划在 2040 年启动并运行的100 公里（62 英里）未来环形对撞机。