位于瑞士歐洲核子研究組織的大型強(qiáng)子對撞機(jī)，是世界上最大、最復(fù)雜的科學(xué)儀器之一。對撞機(jī)以無法想象的力量粉碎亞原子粒子，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以幫助物理學(xué)家回答物理學(xué)的一些重大根本性問題，解釋宇宙起源的奧秘。鉬對于這些革命性實(shí)驗(yàn)的成功實(shí)施，發(fā)揮了重要的作用。
世界上最大的粒子加速器--大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC），使用了超過25萬個(gè)高強(qiáng)度、特種316L不銹鋼緊固件。
大型強(qiáng)子對撞機(jī)位于瑞士日內(nèi)瓦附近，是一個(gè)非常巨大的裝置，物理學(xué)家用它來探索宇宙中最小粒子的奧秘。對撞機(jī)的能量太強(qiáng)大，以至于一開始有人擔(dān)心它會產(chǎn)生一個(gè)能夠吞噬大塊星系的黑洞。幸運(yùn)的是，加速器成功地撞碎了質(zhì)子和離子，為粒子物理學(xué)研究提供了數(shù)據(jù)，并沒有出現(xiàn)人們擔(dān)心的事件。但是科學(xué)家們希望能提高加速器粒子束的強(qiáng)度，為即將開始新項(xiàng)目做準(zhǔn)備，且大型強(qiáng)子對撞機(jī)到了進(jìn)行常規(guī)維護(hù)的時(shí)候，因此，2021年底開始對加速器進(jìn)行維護(hù)升級。
大型強(qiáng)子對撞機(jī)地下環(huán)形隧道示意圖
維護(hù)升級項(xiàng)目預(yù)計(jì)將花費(fèi)兩年時(shí)間。除了進(jìn)行系統(tǒng)的維護(hù)外，此次升級將使研究人員能夠收集比過去多十倍的數(shù)據(jù)。升級項(xiàng)目包括更換用來固定加速器真空管的緊固件。為了科學(xué)探索的順利進(jìn)行，這些緊固件不得不經(jīng)受很大的考驗(yàn)，例如承受從-271?C到300?C的溫度范圍。升級更換是必要的，因?yàn)楹f材料制成的連接件將幫助確保實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟谖磥砝^續(xù)進(jìn)行。
大型強(qiáng)子對撞機(jī)偶極子模型? 2009-2020CERN
大型強(qiáng)子對撞機(jī)于2008年12月開始首次運(yùn)行，是歐洲核子研究組織粒子加速系統(tǒng)的最新成員。它由27公里長的超導(dǎo)磁體環(huán)組成。在內(nèi)部，由超導(dǎo)磁體驅(qū)動(dòng)的兩束粒子束以接近光速的速度彼此撞擊。碰撞之前，粒子束在保持超高真空的兩個(gè)單獨(dú)的粒子束管中反向傳播。液氦將超導(dǎo)磁體冷卻到低于外太空的溫度：-271.3攝氏度。這種極端冷卻是必需的，這樣磁體才能保持恒定、高能、超導(dǎo)的狀態(tài)，而不產(chǎn)生電阻或能量損失。為了應(yīng)對這些極端條件，對撞機(jī)中使用的材料必須是地球上最耐用的材料之一。
工程師測試LHC超級磁體的電氣系統(tǒng)
大型強(qiáng)子對撞機(jī)通過將移動(dòng)航空母艦的能量集中在不到一毫米寬的粒子束中，使質(zhì)子和離子分離，希望能找到亞原子顆粒，并研究其性能。2012年，這個(gè)粒子加速器發(fā)現(xiàn)了傳說中的“上帝粒子”--希格斯玻色子粒子。這一開創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)填補(bǔ)了粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型理論的空白，標(biāo)準(zhǔn)模型是一個(gè)有五十年歷史的古老理論，它解釋了宇宙中的質(zhì)量從何而來。利用大型強(qiáng)子對撞機(jī)提供的數(shù)據(jù)，已有2,000多篇粒子物理學(xué)領(lǐng)域的論文發(fā)表。科學(xué)探索通常會發(fā)現(xiàn)更多的問題。科學(xué)家希望將每秒碰撞次數(shù)加倍，從而可以回答一些新問題。升級之后的大型強(qiáng)子對撞機(jī)有望每年產(chǎn)生超過1500萬希格斯玻色子粒子，而2023年的數(shù)量為300萬。提高希格斯玻色子的數(shù)量，所提供的數(shù)據(jù)將大大增加，且有更多的機(jī)會來觀察新現(xiàn)象。
關(guān)閉并準(zhǔn)備對大型強(qiáng)子對撞機(jī)進(jìn)行維護(hù)需要世界上數(shù)千名科學(xué)家的合作。為了更換20多個(gè)超導(dǎo)磁體和裝置的其他部件，團(tuán)隊(duì)必須安裝升降機(jī)到地下100米。僅僅將冷到難以想象的加速器加熱到室溫就花費(fèi)了大約四個(gè)月的時(shí)間，清除了超過100噸的液氦。無疑，大型強(qiáng)子對撞機(jī)的維護(hù)是一個(gè)巨大的考驗(yàn)，需要?jiǎng)佑脽o數(shù)資源。因此，使用壽命長的高強(qiáng)度部件，例如鉬合金化材料的緊固件，是極其必要的。
大型強(qiáng)子對撞機(jī)升級中使用的緊固件有特殊要求，與標(biāo)準(zhǔn)316L不銹鋼緊固件有很大的不同。這些緊固件必須強(qiáng)度比316L更高且磁導(dǎo)率要低得多。它們的最低抗拉強(qiáng)度需要達(dá)到1000 MPa，而相關(guān)ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高抗拉強(qiáng)度為800 MPa。它們的屈服強(qiáng)度應(yīng)至少為900 MPa，而現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定是600 MPa。這些緊固件必須是非磁性的，以避免在加速過程中擾亂粒子的運(yùn)動(dòng)。為了使緊固件集這些杰出的性能于一身，其生產(chǎn)商瑞典Bumax公司規(guī)定了較高的鉬含量：2.5％-3％，而通常316L的鉬含量為2％-2.5％。通過降低不銹鋼的磁導(dǎo)率，使緊固件幾乎無磁性，鉬在這個(gè)過程中發(fā)揮了核心作用。
由奧氏體不銹鋼制成的緊固件必須進(jìn)行冷加工，以達(dá)到承受對撞機(jī)極致的溫度和力量等工作條件所需的抗拉強(qiáng)度。但是，在這種冷加工強(qiáng)化的過程中，316L不銹鋼的一部分非磁性奧氏體金相組織會轉(zhuǎn)變?yōu)橛写判缘男巫凂R氏體組織。這些微小的缺陷可能會干擾超導(dǎo)磁體之間的粒子流，從而阻礙加速器的功能。較高的鉬含量有助于防止這種馬氏體轉(zhuǎn)變。這樣得到的是超高強(qiáng)度的緊固件，同時(shí)還不影響對撞機(jī)中的磁力。
防止馬氏體轉(zhuǎn)變對于對撞機(jī)本身的結(jié)構(gòu)也十分重要：所以，27.4公里長、容納粒子束的真空管由316LN不銹鋼制成。它是316不銹鋼的衍生牌號，較高的氮含量使材料具有更高的強(qiáng)度并防止馬氏體形成。同樣，如果磁導(dǎo)率不夠低，加速器將無法正常工作。因此，在整個(gè)加速器的設(shè)計(jì)中，特種奧氏體不銹鋼被廣泛應(yīng)用。
各種尺寸的緊固件螺栓，類似于LHC升級所使用的螺栓 ?Bumax
大型強(qiáng)子對撞機(jī)預(yù)計(jì)將在2024年恢復(fù)運(yùn)行。來自13個(gè)國家29個(gè)機(jī)構(gòu)的科學(xué)家將開始新研究項(xiàng)目，每秒原子碰撞的次數(shù)將增加一倍。使用新的含鉬緊固件后，粒子可以自由粉碎，而不會受到磁干擾。緊固件的強(qiáng)度意味著它們可以輕松承受升級后粒子束的強(qiáng)度。未來也許將有更具革命性的新發(fā)現(xiàn)問世，而鉬也為解釋宇宙奧秘做出了重要貢獻(xiàn)。2008年11月10日 -- LHC 第一次測試粒子束26695米 -- LHC超導(dǎo)磁體環(huán)的長度約25萬 -- 設(shè)施升級中將更換的緊固件個(gè)數(shù)2178 -- 保持LHC運(yùn)行每天所需要的人員數(shù)量-271.3?C -- LHC磁體偶極子運(yùn)行溫度11245-- 每秒鐘一個(gè)粒子環(huán)行超導(dǎo)磁體環(huán)的次數(shù) 4% -- 宇宙中已知有形物質(zhì)的估計(jì)百分比96% -- 宇宙中由未知粒子組成部分的估計(jì)百分比
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