Различные виды электромагнитов играют одну из самых ключевых ролей в области современной физики. Создаваемые ими магнитные поля удерживают плазму в камерах экспериментальных термоядерных реакторов, при их помощи разгоняются и направляются потоки частиц в туннелях ускорителей и т.п. Но не все существующие электромагниты обладают одинаковыми характеристиками, и недавно исследователи и инженеры из Национальной лаборатории имени Ферми разработали новый сверхпроводящий электромагнит, превосходящий по характеристикам все, что было создано ранее в этом направлении.
В таких установках, как Большой Адронный Коллайдер, являющийся самым мощным ускорителем частиц на сегодняшний день, магниты должны производить поле, силой не менее 8 Тесла. При этом, выход магнитов на рабочий режим производится плавно со скоростью 0.006 Тесла в секунду и занимает около 20 минут времени. В ускорителях частиц, в которых используются магниты с медными обмотками, магнитное поле нарастает с гораздо большей скоростью. К примеру, магниты японского ускорителя J-PARC, вырабатывающего самый мощный поток нейтронов, способны наращивать силу поля со скоростью 70 Тесла в секунду, а магниты ускорителя лаборатории Ферми - со скоростью 30 Тесла в секунду.
Одной из проблем, которая мешает поднимать поле сверхпроводящих магнитов с большой скоростью, является возникновение "горячих пятен" в обмотках, размеры которых увеличиваются с увеличением тока и генерируемого магнитного поля. При быстром увеличении тока температура в этих пятнах увеличивается настолько, что материал переключается из сверхпроводящего состояния в обычное состояние с электрическим сопротивлением и магнит теряет свою эффективность или вообще перестает работать.
Ученые из лаборатории Ферми нашли решение в виде материала YBCO, сложного соединения иттрия, бария, меди и кислорода, известного высокотемпературного сверхпроводника. Из этого материала и были созданы обмотки магнита, способного работать при температурах от 6 до 20 Кельвинов и способные выдерживать ток, силой до 1000 ампер.
При испытаниях первый опытный образец высокотемпературного электромагнита показал, что он может обеспечить скорость в 290 Тесла в секунду при пиковом значении магнитного поля в 0.5 Тесла. Конечно, такая сила магнитного поля далека от 8 Тесла, требующихся для ускорителей частиц, но ученые уверены, что у них еще имеются возможности для дальнейшего увеличения силы тока через магнит и, соответственно, увеличения силы генерируемого магнитного поля.
В настоящее время ученые лаборатории Ферми продолжают эксперименты с их новым магнитом, испытывая различные режимы его работы и модернизируя используемый источник питания. И возможно в будущем подобные магниты будут установлены в новых экспериментальных установках, включая детекторы нейтрино и коллайдер следующего поколения со 100-километровым кольцом ускорителя Future Circular Collider.