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揭密欧洲核子研究中心 他们是解密宇宙的人

超导磁铁测试设备

团队繁忙的工作日:忙碌于欧洲核子研究中心(CERN)超导磁铁测试设备的约30名技术人员们对巨型磁体在接近绝对零度条件下的运行进行测试。

(Bill Harby. © All rights reserved without written permission)

在欧洲核子研究中心(CERN), 她或许算不上是那些对宇宙大爆炸后纳秒瞬间变化进行推测的最牛的物理学家。但如果没有像玛塔·巴可(Marta Bajko)这样的工程师给在大型强子对撞机上应用的巨型磁铁做测试,那些著名的物理学家们将无法验证他们的理论。

在流行音乐会上,有唱歌的摇滚明星,也有那些确保设备万无一失的音乐总监,他们负责调整器材,插入并打开扬声器和麦克风。

在位于日内瓦的欧洲核研组织里,粒子物理学家便是摇滚明星:每当欧洲核子研究中心(多语)外部链接发现一颗可以帮助我们理解宇宙源起状态及其今日物质组成的新次原子粒子时,物理明星们就会倍受瞩目。

但如果没有设计、制造和测试这些让粒子以近乎光速相互(故意)碰撞的复杂机器和仪器的工程师们,数学方程式只能仍旧是一纸理论。

在自己“游乐园”里的玛塔

(Bill Harby. © All rights reserved without written permission)

巨大的磁铁

沿用我们对摇滚的比喻,玛塔就是音乐总监。不久前在研究中心里探访她时,她穿的并不是连体工作服或实验服,而是印花的连衣裙、紫色的丝袜并戴着七岁女儿给她做的彩虹线手链。

作为欧洲核子研究中心超导磁体测试设备SM-18的部门负责人,玛塔带领约30名工程师和技术人员测试巨大磁体在接近绝对零度(-273.15摄氏度/-459.67华氏度)条件下的超导(英)外部链接(电阻为零)运行。其中一些磁体被设计用于在大型强子对撞机(LHC)27公里(17英里)的环状隧道里引导质子之用。

大型强子对撞机内有1232个巨大的磁偶极子,在它们的引导下,每秒钟数十亿质子在对撞加速管内环绕运动,之后相互撞击,留下更小的次原子粒子的痕迹 - 这呼应了著名的希格斯玻色子(多语)外部链接理论对宇宙为何拥有质量的解释。

“我们的第一个任务是诊断,”马塔说,“我们收到一块磁铁后会对其进行测试,去了解哪些功能正常,哪些功能不佳。在我们的同事做出必要的调整之后,我们进行最终版的测试。”只有在所有的测试成功通过之后,才允许磁体安装。

说到对新磁铁设计的测试,其整个过程-从初始测试到细节化测试、重新测试、再细节化测试,直到安装后的最后检验-可能需要数年时间。例如,玛塔的团队于2008年开始设计用于高亮度大型强子对撞机(英)外部链接的新磁体。而第一台样机今年才开始测试,预计将在2025年方可最终完成磁体安装。

身为工程师的玛塔出生于罗马尼亚的格奥尔盖尼(Gheorgheni),她在家乡和匈牙利布达佩斯(Budapest)接受了高等教育。研究中心里几乎所有人都和她一样有多语背景(匈牙利语、罗马尼亚语、西班牙语、法语、英语、意大利语)。大学毕业后,马塔在马德里的公共工程研究试验中心(西)(外部链接CEDEX)找到了自己的第一份工作。在那里她遇见了生命中的两个真爱:低温物理工程学和她的丈夫胡安·卡洛斯·佩雷斯(Juan Carlos Perez),而他也是研究中心的磁体工程师。

“让我至今仍感到惊叹的是:围绕着大型强子对撞机- 每一位工作人员、每一个组成部分,都同等重要,缺一不可 - 他们精诚团结,协调工作。”

引言结束

磁体的现实应用

欧洲核子研究中心大型超导磁体的重要组成部分长15米,重27吨(近6万磅),它们是用电线缠绕的电缆,由铌钛合金(NbTi)或铌锡合金(Nb3Sn)制成。这些合金是高效导电管,可在超低温下实现超导。

在桌上的花瓶里,玛塔保留了一束有弹性的铌钛合金导线、电缆线和螺旋金属带以及绿色光纤。丝导线和扁平电缆也可以很美,玛塔说,总有一天她会用这些线做出精美首饰。

玛塔工程师工作的最大回报何在?其回答可能会让科学发烧友们失望,因为她的目标并非是要证明组成宇宙的、神秘次原子粒子的存在。“完成终极科研目的对我来说太遥远了,”她说。女科学家眼中取而代之的工作目标在于推进“低温技术、超导技术和磁体的现实应用”。比如,对磁共振成像(MRI)等医疗技术的发展,研究中心就曾作出极大贡献。

一起工作一起玩

作为部门负责人,玛塔要花时间在办公室和会议上,还要研究方案和方程式,但她喜欢在自称为“游乐园”的SM-18测试区域度过时光。在占地大约2500平方米的“游乐园”里安置着彩绘的大型金属诊断设备和仪器。在这里,长磁体被放置在“低温台”上进行供电测试,以查看数百个零件在一起是否运行良好。进一步的低温测试里,每个磁体也被放入工程师称之为“世界上最大保温箱”的装置中。

单单一个磁体上的系列测试就可持续两个月以上。随着测试中温度的逐渐降低,磁体也“接受着培训”,玛塔解释说。它们“学习”并拥有“记忆”。通过微妙的调整,在接近绝对零度条件下,连续测试使磁体更接近其设计性能。

超导磁体工程师面临的最严峻挑战之一是在室温条件下制造能在接近零下三百摄氏度运行的磁体部件。设想一下,在炙热工厂里制造汽车发动机,但该发动机必须在比外太空更冷的温度下工作。

玛塔说:“让我至今仍感到惊叹的是:围绕着大型强子对撞机- 每一位工作人员、每一个组成部分,都同等重要,缺一不可 - 他们精诚团结,协调工作。”

到底摇滚明星物理学家和音乐总监工程师一起配合得怎么样?听到这儿,女工程师笑了。“物理学家有点像梦想家,”她说。根据她的经验,物理学家通常不会考虑建造一个前所未有的复杂机器会有多难,他们坚决需要证明(或推翻)自己的理论。有时候,他们也不会考虑设计和制造这些机器的成本。这是工程师要思考的问题,他们得向物理学家(和预算审核人员)解释“制造的可行性”。

也许,对于探索次原子物理学的低温磁体工程师或其他任何一种工程师而言,这既是巨大挑战,也是丰厚回报。“我的作品不仅存在于报纸上或电视屏幕上,它更存在于这个我目光可及、双手可触的装置中。而这一装置正在运转不息。”


(翻译:熊薇), 瑞士资讯swissinfo.ch

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