2016年8月，Dave Harding收到一封电子邮件。美国能源部橡树岭国家实验室需要磁铁来升级粒子加速器。这些不是你通常的冰箱磁铁：橡树岭的科学家们正在寻找大型、专门制造的、独一无二的磁铁，这些磁铁对控制粒子加速器的光束至关重要。为了制造这些磁铁，橡树岭联系了美国能源部的费米国家加速器实验室。领导加速器支持小组的费米实验室资深科学家Harding接手了这个项目。
Harding说：“他们来找我们是因为费米实验室在设计和制造磁体方面的专业知识。”。“这是一个引人入胜的挑战，因为橡树岭需要一些特殊的东西。”
费米实验室在美国能源部系统中占有特殊地位，经常导致与其他国家实验室的合作：费米实验室擅长设计、制造和测试用于操纵、弯曲和以其他方式操纵粒子束的磁体。
自最初提出请求以来，Dave Harding和另一位费米实验室科学家Thomas Strauss与费米实验室的磁体系统部门合作，领导了三种定制磁体的设计和制造。它们用于橡树岭的质子功率升级到其散裂中子源。
橡树岭加速器物理学家Nick Evans说：“这三块磁铁正处于SNS的核心，也是我们第一次必须正确升级的关键部分。”。“我们知道费米实验室拥有设计和制造这些复杂的一次性设备的所有专业知识，以及充分利用这种合作关系所需的合作精神。如果没有他们的贡献，我们就不会有今天的成就。”
快速粒子
SNS是一种粒子加速器，可以为研究创造大量中子。Harding说：“它的目的是将质子撞击到目标上，产生大量中子，然后可以用来研究各种科学学科感兴趣的材料和结构的性质。”。
SNS由四个主要部分组成，从一个线性加速器开始，该加速器推动带负电的氢离子（一个质子和两个电子）的高强度束。然后，一系列被称为菊苣的四个磁铁将入射光束引导到累积器环中循环光束的路径上，同时一层薄箔将电子从质子上剥离。第三，质子在积聚环中循环，直到它们准备好向目标发射，最后，当被质子束轰击时，目标释放出所需的中子。
质子功率升级项目旨在将质子束撞击目标的功率提高一倍，以产生更多中子，推动研究向前发展。为了实现这一目标，橡树岭将使H负离子离开线性加速器时的能量增加30%，并增强线性加速器，使其在每个脉冲中多处理50%的粒子。
线性加速器的改进意味着H减束的能量将超过目前的菊苣磁铁系统所能处理的能量。
Harding说：“注入环就像合并到一个州际公路上。”。“你想在不干扰现有车辆的情况下继续给车辆供电。随着电源升级，系统将以更快的速度运行。如果你的原始设计在入口处有一个相当大的转弯——砰！”
升级后的菊苣磁铁需要更长的时间才能更平稳地融合更高能量的粒子。这需要精确而强大的磁铁。解决方案：费米实验室团队设计和制造的磁铁。
特殊要求
橡树岭升级团队对磁铁有特定的要求，这使得设计在技术上具有挑战性。SNS加速器系统从H-负离子开始，但随后将它们转化为质子，将它们合并到存储环中。这意味着电子必须被去除，剥离必须发生在将粒子从线性加速器引导到累积环的磁体内。解决方案：在菊苣磁铁系统内放置一个薄箔过滤器，将电子从质子上敲下来。
然而，在这个过程中被释放的电子带来了挑战。
Harding说：“如果你不引导电子，它们会以非常紧密的螺旋状返回，并撞回箔中，导致其更快地退化。”。费米实验室的团队必须设计磁铁，以便将电子从箔上引导开。“这是一个严重的三维挑战。这意味着磁铁的顶部和底部必须彼此不同。”
橡树岭的室温磁铁形状像字母C。导电的铜线缠绕在结构的中心，铁磁极之间有一个间隙，相互靠近。这种形状将磁场集中在该间隙中，并允许轻松进入磁体内部。
费米实验室制造的磁铁是彼此不对称的图像。在一个磁体中，C的上半部小于下半部，第二个磁体是第一个磁体的翻转版本。
该团队还为橡树岭系统设计并制造了第三块磁铁。尽管菊苣中的薄箔从束中的质子中剥离了大部分电子，但一些H负离子会完好无损地通过过滤器。如果有任何电子留在质子上，粒子将从束的其余部分获得错误的电荷；它将不会与梁的其余部分一起被引导到蓄能器环中。第三块磁铁的作用是作为这些粒子的出口。
把它们放在一起
2023年2月，Dave Harding将橡树岭磁铁项目的领导权移交给了费米实验室加速器支持小组的组长Strauss。此外，该项目最近获得了一位新的首席工程师Sherry Baketz，并将接替退休的技术人员。
尽管在培养新员工方面面临挑战，但该团队在2023年4月前建造了两个所需的菊苣磁铁，并于8月将所有三个磁铁运到橡树岭。它们在秋天被安装在SNS隧道中。
Baketz说：“我与技术人员密切合作，寻找简化流程的方法。”。“结果真的很好。橡树岭在他们需要磁铁之前就有了磁铁，而且它们很管用！”
该项目的最后一步目前正在进行中；一个备用的菊苣磁铁和线圈系统将于本月运往橡树岭。
Baketz说：“当我们真正制造磁铁和线圈，只是实际的生产工作时，这是最令人兴奋的。”。“你一开始什么都没有，最后得到的是整个磁铁。这就是我喜欢成为一名机械工程师的原因——把概念变成现实。”
一个谜
在将磁铁送往橡树岭之前，来自测试和仪器部的费米实验室团队对磁铁进行了详细测量，并确保它们符合所有要求的规格。
前T&I部门负责人、现任磁铁测试支持小组负责人Mike Tartaglia表示：“橡树岭对该项目的审查对我们所做的工作给予了高度赞扬。”。
与此同时，T&I团队注意到了一些具有科学意义的东西。
“我们测量了所有三块磁铁，”塔尔塔利亚说。“对于第一块磁铁，我们进行了一些初步测量，以检查磁场分布是否正确。我们发现一些区域的磁场与模型模拟的磁场不完全相同。”
尽管他们发现的偏差不会影响橡树岭的横梁，但对塔尔塔利亚来说，它们仍然是一个有趣的谜。
“我对这些偏差可能是什么有一些想法。我很高兴能够分析测试数据，并了解与模型相比的这种轻微异常。”
未来的合作
随着该项目的结束，Magnets系统部已开始考虑与橡树岭和其他美国能源部国家实验室的下一步合作。
Harding说：“我们目前正处于橡树岭第二目标站项目的早期阶段。”。该项目将在SNS中添加第二个中子源，该中子源将产生高亮度冷中子。“在那里，挑战是不同的，但它们是有趣的磁铁；它们可能是两倍大，大约两米高。”
费米实验室的磁体团队还与其他实验室合作，包括美国能源部的SLAC国家加速器实验室和欧洲核子研究中心实验室。
“橡树岭是一个很好的合作伙伴，”施特劳斯说，他将管理未来的磁铁合作。“与其他实验室的人一起工作总是很好的，因为他们有着非常相似的心态，但你有不同的能力。我们即将为其他国家实验室开展一些工作，因为费米实验室在DOE系统中拥有制造这些非常规磁体的专业知识。”
散裂中子源的质子功率升级项目由美国能源部科学办公室的基础能源科学项目资助。
