2019-11-06 20:23:01
目标实践完善Mu2e生产目标

目标实践完善Mu2e生产目标.jpg

在Mu2e之前,有MECO。

科学家,研究人员和工程师欣喜若狂。他们一直试图在两大洲进行从Muon到电子的Conversion实验,现在终于在布鲁克海文国家实验室建立了该实验。

当2005年启动该项目时,他们并没有气ter,他们调整了计划和设计,以便在伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室进行这项开创性的实验。

介子之谜

Mu2e旨在解决一个谜团,自1936年发现μ子以来,一直困扰着实验学家和理论家:科学家们从未见过μ子会转变为更轻的表亲电子,而不会发射其他粒子。

波士顿大学的科学家,实验发言人吉姆·米勒说,观察到直接的介子到电子的转换“将为标准模型以外的物理学提供明确的证据”。

电子,μ子和taus是称为轻子的粒子的味道。就像草莓,巧克力和香草冰淇淋一样,尽管它们是那不勒斯冰淇淋的味道,也无法彼此转化,但似乎阻止了μ子直接转化为电子。

一次测量任何这样的转换过程,更不用说在实验过程中多次测量,这并非易事。为了观察μ-电子的转换信号,Mu2e的功率将比SINDRUM II实验高约10,000倍,后者在2000年完成了数据收集,是最后一个直接进行μ-电子转换的实验。

如果只有1千亿(1017)微米的μ子转换成电子,Mu2e就会看到它。

产生中介:目标的故事

在这发生之前,物理学家需要介子。

生产目标是一种能够截获粒子束的精心成型的材料,它承担着至关重要但困难的工作。当一束质子击中固定的生产目标时,介子会向各个方向发出并几乎立即衰减为介子,这些介子通过实验的其他成分螺旋下降到检测器,并从检测器中(希望)以电子的形式出现。

Mu2e组件使用尽可能少的材料制成,因为颗粒相互作用会随着实验中材料的数量而增加,从而干扰了研究人员希望观察到的信号。这给生产目标设计团队提出了独特的挑战。

驻留在超导圆柱磁体内部的真空室中的生产目标要经受极端条件的考验。质子束每秒撞击目标,导致其温度升高至大约1,700摄氏度(3,092华氏度),这是NASA航天飞机最热部分重新进入地球大气层所经历的温度。

研究人员很快意识到,他们最初的设计是MECO实验的遗迹,非常昂贵。太贵了用钛制外套包裹的金条,需要通过精密的水泵,喷嘴和其他基础设施系统用循环水冷却该目标。

Mu2e加速器升级经理Steve Werkema说:“那时我们的一些同事指出,我们可能根本不需要主动冷却目标。”

进行了两项修改-切换到自己释放热量的目标(称为辐射冷却的目标),并将射束功率从25千瓦降低到8千瓦-不仅节省了资金,简化了基础设施,而且减少了安全隐患。

现在,研究人员需要一个新的生产目标。对于目标材料,他们转向了周期表中称为难熔金属的部分。难熔金属在诸如Mu2e之类的实验中具有优势,因为它们具有高熔点并且即使在高温下也不会腐蚀。

研究人员最终选择了钨,钨是一种重而致密的金属,可以经受高温和束状的质子束的猛烈撞击。这决定了,从字面上看,它又回到了绘图板上。

复习,修改和重复

第一个Mu2e钨靶看上去像一支粗而长的铅笔。钨棒的直径为六毫米(约0.25英寸),长为160毫米(略大于6英寸),产生了大量的介子。

问题?没有办法在真空中支撑这种结构。

为了解决这个难题,研究人员将看起来像扩音器的零件连接到了杆的两端。类似意大利面条的辐条将这些组件悬挂在自行车环结构中,该环结构可固定目标并协助机械臂卸下和处理目标。

韦尔克玛说:“那是我们开始逐一发现必须克服的问题的时候。”

他们遇到的第一个问题是腐蚀。

通常,钨是耐腐蚀的,但是研究表明,即使真空室中的氧气很少,也会在Mu2e温度和压力下引起问题。

Fermilab的首席生产目标工程师Dave Pushka说:“像汽车一样思考它。挡泥板生锈,您会掉下这些大块锈,很快您就没有挡泥板了。”

生产目标会腐蚀得如此之快,以至于无法持续一年。研究人员改进了真空室以减轻这种影响。尽管他们仍然预计会形成氧化钨,但这不足以导致目标快速失效。

然后研究人员想知道:质子束会在目标由于压力和疲劳而失效之前轰炸多久?在一个重要的里程碑中,英国卢瑟福·阿普尔顿实验室的研究人员开发了原型目标,并用电脉冲击中了目标,直到失败为止。他们得出的结论是,至少从这种失败模式出发,目标将持续超过一年。

第三个挑战是温度。研究人员担心,在7月的野餐中,目标可能会像黄油条一样变形,直到达到规定的使用寿命(约43周的发射时间)。

当质子撞击生产目标时,动能转化为热量,导致目标向外膨胀并在中间凹陷。这种不稳定性会导致更多的下垂,因为支撑目标的辐条会将其两端拉在一起,从而在两端施加更多的力,并使目标进一步下垂。

大西洋两岸的人们在友好竞争中共同努力,以开发出最佳目标模型。最终,引入了一些设计元素,例如将辐条连接到自行车环的弹簧,以抵抗疲劳和目标下垂。

在当前版本中,目标看起来仍然非常像一支未削尖的铅笔。它是灰色的,相对较重,长200毫米(将近8英寸),两端带有圆柱环,散热片从目标铁芯散发热量,并支撑下垂和中间杆各部分之间的空隙。

鳍片使目标从末端看起来像星星,需要精细的功能才能在苛刻的质子束下发挥作用。

“当添加更多的散热片时,散热片的表面不会看到较低的温度。相反,在相同的高温下会看到另一个散热片。这意味着散热片的结构,数量和散热方面的收益会有所减少,”普什卡说。

费米实验室的Mu2e项目经理罗恩·雷(Ron Ray)建议,分割目标的核心可以缓解这一与温度有关的问题。研究人员发现,在钨的短圆柱部分之间引入空间可以使它们沿着目标微调温度。

最佳目标设计的看门人

同时,三支工程师团队共同努力,消除束缚时的意外。

纽约城市大学约克学院的物理学教授,Mu2e生产目标设计团队的成员凯文·林奇说:“生产目标团队想知道每次改变目标或光束会发生什么。” “我们的模型跟踪从介子的产生到介子到电子的转换,以及整个实验过程中组件中能量累积的方式。”

这些独立的计算是由约克学院的Lynch团队和Fermilab的Bob Bernstein团队执行的,是高级工程师Ingrid Fang使用的。

方在费米实验室(Fermilab)工作了二十多年,将Lynch的计算应用于Pushka提供的几何形状,建立了模型,并求解了目标中每个点的应力和温度。模拟是如此复杂,超级计算机需要三天或更长时间才能解决数百万个方程。

方说:“我们必须在温度和μ子产量之间找到最佳的结合点。”

科学家,研究人员和工程师正在研究方的结果。方的结果决定或破坏决定。 Fang的结果最终决定了生产目标是继续建造还是重新设计。

“现在,这是最后的结局,” Fang在谈到当前设计时说道。 “我们将目标与其支撑结构结合在一起,并将所有载荷(包括光束脉冲,辐射载荷,重力和预紧力)固定在模型中,并将其固定到模型中,结果看起来很有希望。”

建立目标101

研究人员知道,实验室中的生活充满了起伏,修修补补和修改。最初是由水冷金条制成的,后来演变成可满足项目目标的分段翅片式辐射冷却钨装置。这些年来,科学家,研究人员,工程师和分析人员研究了超过35种目标设计。

当研究人员面对最新挑战时,他们并不畏惧,实际上是在确定生产目标。

普什卡说:“钨很难加工。您不能用车床将其切割。您不能看到它。必须将其研磨或对电极进行放电加工。”他指出,在芝加哥地区至少有三到四个承包商,甚至更多,可以执行这项复杂的工作。

Werkema和Pushka估计,该靶材将花费12周的制造时间,再花费12周的时间组装并对准光束。然后,在2022年完成Mu2e建设后,又需要进行一年的设置,测量和校准,然后该实验才能在2023年开始进行。

“这似乎还有很长的路要走,但是当您考虑到1990年代末的第一批设计时,似乎根本就没有时间。现在,感觉像我们已经完成了,因为我们克服了所有这些工程和设计挑战,现在每周都会出现并安装新的东西。您实际上可以看到进度,” Werkema说。

普什卡说:“我在费米实验室做过很多实验。”“ Mu2e是我进行过的最困难,最困难的实验,我认为我们曾经尝试过进行。从科学和工程的角度来看,这是极其困难的。”

目前看来,研究人员已经有望通过Mu2e发现新的物理学。

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