为什么大型强子对撞机是地球上最冷的地方之一?
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大型强子对撞机其实很“冷”
液氦在大型强子对撞机(LHC)内外部的复杂管道中不断流动 , 由于这个低温冷却系统 , LHC比星际空间更寒冷 。 那么 , 为什么它需要保持在如此寒冷的温度下呢?
欧洲原子核研究组织(CERN)的低温冷冻团队负责人SergeClaudet表示 , 如果不保持低温 , 磁体就不会起作用 。
缠绕的电缆使LHC强大的电磁体携带了11800安培电流 , 大致相当于小型闪电 。 对于一根手指宽度的电缆来说 , 要携带这么多电流而不被烧毁 , 它就必须是超导体 。 超导体是一种具有零电阻的电流导体 。 每次你打开灯 , 你都能发现存在电阻 。 如果一个灯泡灯丝是由超导导线制成的 , 那它会既不产生热量 , 也不发光 , 电流会直接穿过 。
大多数工业超导体只有在绝对零度(-273.15摄氏度)以上几度的低温下 , 才能获得超导的神奇特性 。 LHC放置在一个算是相当温暖的隧道里 , 大约27摄氏度 。 为了使超导磁体免受这种温和气候的影响 , 工程师们用绝缘层将其层层包裹起来 , 一层比一层凉 , 就像俄罗斯套娃 , 以此保护磁芯 。
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大型强子对撞机
最外部是一个真空室 , 就像一个热水瓶胆 。 最内部磁体被浸没在1.9开氏度(-271.25摄氏度)的超流体液氦形成的静态室中 , 液态氦渗透到LHC磁线圈的每个角落 。
如果工程师们只需要担心保护LHC不受隧道的温暖影响 , 那么60厘米的液氦保护层就足够了 。 但最大的问题却在内部 。
科学家表示 , 大部分热量出现在内部 , 来自质子束和磁体 。 热量是衡量多少粒子发生碰撞的物理量 , 而在LHC核心中流过350亿亿个质子无疑会引起大振动 。 每当一个质子飞到一个角落 , 它都会释放出快速的光脉冲 , 这些光被周围的物质吸收并唤醒沉睡的分子 。
与此同时 , 镀铜粒子束管道中的电子在金属中流动 , 以追上带正电的质子束 , 这就会产生电流 。 有些电子甚至会脱离原子的束缚 , 跃迁到真空中 , 导致碰撞并释放更多的电子 。 所有这些都会产生越来越多的热量 , 也将威胁到保持磁铁超导的敏感条件 。
【为什么大型强子对撞机是地球上最冷的地方之一?】
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粒子碰撞
如果磁铁的温度超过2.17开氏度(-270.98摄氏度) , 它们就会失去超导性 。 发生这种情况时 , 原本只是一点点的内部加热很快就会升级为大量的热量 。
为了保持这些磁体冷却 , 工程师们设计了一个复杂的低温系统 , 它利用了一个非常简单的原理:当液体蒸发为气体时 , 它会吸收热量 。 这就是为什么我们在淋浴后感到寒冷 , 这并不是因为水是凉的 , 而是当水滴从我们皮肤上蒸发掉时带走了我们的热量 。
一根细长的管子穿过磁体支撑结构 , 输送了一股加压的超冷液氦 。 当液氦吸收多余的热量时 , 它就会蒸发 , 很快就被泵出 。 另一根冷却管穿过粒子束管道内部 , 在源头吸收能量 。
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尽管做了这么多努力 , 但大型强子对撞机的磁体有时会升温到足以失去超导性 , 也称为“超导磁体失超”事件 。 通常只有一个集中的点升温 , 而且发生得非常快 。
传感器检测电压的变化并触发一个系统 , 该系统可以使热量分散到整个磁体中 , 并将电流从磁体中转移开 。 同时 , LHC粒子束会被自动送到一个叫做粒子束捕集器的混凝土块中 , 整个加速器将会暂停几个小时 , 期间磁体则会恢复到它的超冷状态 。 这种情况每两年才会发生一次 , 工程师会不惜一切代价保护磁体 。
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