När du tränar för ett maraton, löpare måste gradvis öka avståndet för sina löpningar. De vet att deras löpningar i början av träningen inte definierar vad de en dag kommer att kunna; de bygger en stark grund som hjälper dem att nå sin fulla potential.

De billånga magneterna som styr partiklar runt Large Hadron Collider går igenom en liknande process. Forskare måste driva dem till sina gränser, gång på gång, tills de klarar enorma mängder elektrisk ström.

"Dessa magneter är stora tekniska underverk, " säger vetenskapsmannen Kathleen Amm, direktör för Magnet Division vid det amerikanska energidepartementets Brookhaven National Laboratory i New York. "Men en sak vi inte kan göra är att sätta dem rakt i en gaspedalen. De måste tränas."

Forskare, ingenjörer och tekniker på Brookhaven tränar nu magneter för en ännu svårare uppgift:rikta och fokusera partiklar i en nästa generations accelerator, den drivna LHC med hög ljusstyrka vid CERN. Lyckligtvis, dessa magneter tål inte bara träningen, men också få förmågan att bära ännu mer ström än tidigare.

Tål blixtnedslag

Genom att använda en ny typ av supraledande tråd baserad på niob-3-tenn, Nb3Sn, HL-LHC-acceleratormagneterna kommer att kunna leda cirka 40% mer elektrisk ström än den tidigare iterationen av magneter för LHC. Varje kommer att bära cirka 16, 500 ampere - ungefär lika mycket som en liten blixt. Den genomsnittliga bärbara datorn, som referens, använder mindre än 5 ampere.

LHC-magneter är gjorda av material som skiljer sig från de som används för att göra en bärbar dator på ett viktigt sätt:De är supraledande. Det betyder att de kan bära en elektrisk ström utan att förlora någon energi. De producerar ingen värme eftersom de har noll elektriskt motstånd.

Men det finns en hake:Både de gamla och nya LHC-magneterna får egenskapen supraledning endast när de kyls till extremt låga temperaturer. Inuti LHC, de hålls på 1,9 kelvin (minus 456,25 Fahrenheit), strax över den absoluta nollpunkten.

Även det räcker inte alltid:En liten ofullkomlighet kan göra att en magnet plötsligt förlorar sina supraledande egenskaper i en process som kallas släckning.

"En släckning betyder att en del av supraledaren blir normal, " säger vetenskapsmannen Sandor Feher, som övervakar HL-LHC magnettestning och utbildning. "Dess temperatur börjar stiga, och denna värme sprider sig till andra delar av magneten."

En släckning kan vara ruinerande. "När en supraledare förlorar sina supraledande egenskaper, det går från att ha noll elektriskt motstånd till ett mycket högt elektriskt motstånd, " Amm säger. "I de tidiga dagarna [av supraledareutveckling] magneter skulle brinna ut på grund av denna snabba övergång. "

Men denna överhettning innebär inte alltid katastrof. Under magnetträning, kontrollerade släckningar inducerar hjälpsamma strukturella förändringar på mikroskopisk nivå som förbättrar en magnets prestanda.

En magnets anatomi

När han var 12 år gammal, Martel Walls vann en lokal konsttävling med en detaljerad och realistisk teckning av ett domstolshus i Bloomington, Illinois. "Min teckning hamnade inne i tingshuset, " säger han. "Ända sedan dess, Jag visste att jag ville arbeta inom ett område som skulle dra nytta av mitt öga för detaljer och stadiga hand."

Walls öga för komplexa former ledde honom så småningom till sitt jobb som ledande tekniker med ansvar för utveckling av magnetspolar vid Fermi National Accelerator Laboratory i Illinois, där team både producerar och testar magneter på väg mot HL-LHC.

Magneterna som Walls och hans team håller på att montera består av 450 meter (cirka 1480 fot) Nb3Sn supraledande kabel lindad runt två sammankopplade stödstrukturer. Spolarna är cirka 4,5 meter (nästan 15 fot) långa. Varje centimeter kabel inspekteras både före och under lindningsprocessen.

Spolarna värms sedan upp till 665 grader Celsius (1229 grader Fahrenheit) under en 11-dagars värmecykel; en process som förvandlar den vanliga niobtennkabeln till en supraledare, men gör den också otroligt skör. "Det blir lika skört som okokt spagetti, " säger Walls.

Hantera dem så försiktigt som möjligt, tekniker löder fler komponenter på spolarna innan de blötläggs i epoxi. De sista spolarna skickas till Lawrence Berkeley National Laboratory i Kalifornien, där flera spolar monteras ihop och sedan lindas i ett starkt stålhölje. De skickas sedan till Brookhaven för att påbörja sin träning.

När Brookhavens testteam kopplar magneterna till elektricitet, spolarna trycker och drar i varandra med enorma krafter på grund av de höga magnetfälten.

Till och med en liten rörelse i storleksordningen 10 till 20 mikron – ungefär lika bred som ett människohår – kan vara tillräckligt för att generera en släckning.

Träningsregim

Tidigt på, ingenjörer insåg att en välbyggd magnet kunde komma ihåg dessa mikroskopiska rörelser. När en instabil komponent växlar till en mer bekväm position, komponenten stannar då normalt kvar. Resultatet är en magnet som är kraftigare nästa gång den slås på.

Under utbildningen, forskare och ingenjörer ökar gradvis den elektriska strömmen som cirkulerar i magneten. Om någon del av magneten kommer att röra sig eller frigöra energi, det gör det i en kontrollerad laboratoriemiljö snarare än ett svårtillgängligt underjordiskt acceleratorkomplex.

Magnetträning på Brookhaven börjar med att sänka ned magneten i ett bad av flytande helium. När den väl har svalnat, testteamet introducerar och ökar gradvis den elektriska strömmen.

Så fort det finns en släckning, elen avleds automatiskt ut ur magneten. Det flytande heliumbadet avdunstar, bär med sig värmen från släckningen. Efter varje släckning, helium återkallas för återanvändning, och processen börjar igen.

"Vårt mål är tre släckningar per magnet och dag, " säger Feher. "Vi börjar runt 5 eller 6 på morgonen och jobbar i skift till 6 eller 7 på kvällen."

Steg för steg, Brookhavens testteam utsätter magneten för högre och högre strömmar.

"Under magnet FoU, vi kan se 50 till 60 släckningar, " säger Amm. "När vi går i produktion, målet är att se ett minsta antal släckningar, runt 14 eller 15, innan vi kommer till önskad fältnivå. "

När utbildningen är klar – det vill säga magneten kan arbeta med önskad ström utan att släckas – den skickas tillbaka till Fermilab för ytterligare utrustning och testning. De sista magneterna kommer sedan att skickas till CERN.

Enligt Amm, design, att bygga och förbereda magneter för LHC:s uppgradering är mer än tillämpad fysik:Det är en form av hantverk.

"Det är där konsten kommer in tillsammans med vetenskapen, " säger hon. "Du kan göra så mycket vetenskap och teknik, men i slutändan måste du bygga och testa många magneter innan du förstår den söta punkten."