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《费米实验室加速器磁铁强度刷新世界纪录》

  • 来源专题：重大科技基础设施领域知识集成服务平台
  • 编译者： 魏韧
  • 发布时间：2021-03-16

  • 在2020年6月的一次测试中，由美国能源部费米实验室磁铁团队设计制造的演示磁铁达到了14.5T的磁场强度，再一次刷新了其在2019年创造的加速器磁铁世界纪录（14.1T）。
    该突破是满足粒子物理学界对未来强子对撞机的磁铁要求的重要步骤，如果建成的话，这种对撞机将比欧洲核子中心CERN的大型强子对撞机大四倍，其功率几乎是其八倍。CERN的偏转磁铁（负责将粒子束弯曲的磁铁）强度为7.8T，根据当前对未来强子对撞机的设计，其偏转磁铁的场强将高达16T。
    研究团队的下一个目标是打破“15特斯拉壁”，将加速器偏转磁铁的最大强度提高到17T甚至更高，从而显著提高磁铁的冷却性能、优化成本，为未来的高能对撞机奠定坚实的基础。

  • 原文来源：https://news.fnal.gov/2020/07/fermilab-achieves-14-5-tesla-field-for-accelerator-magnet-setting-new-world-record/
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相关报告

  • 《实验室小型加速器刷新能量记录》
    • 来源专题：重大科技基础设施领域知识集成服务平台
    • 编译者：魏韧
    • 发布时间：2019-11-10
    • 德国电子同步加速器研究所（DESY）的科学家创造了一项实验型微型粒子加速器世界纪录—太赫兹加速器首次将注入电子的能量提高了一倍以上。该装置显著提高了电子束流质量。研究成果发布在《光学》杂志。 DESY的超快光学和X射线部门负责人Franz Kärtner强调，“这一结果标志着太赫兹加速器的实际应用向前迈出关键的一步。”太赫兹辐射位于电磁波谱中的红外和微波之间，有望催生新一代紧凑型粒子加速器。“太赫兹辐射的波长大约比目前用来加速粒子的无线电波短一百倍，这意味着加速器的部件也可以做成现有的百分之一。”太赫兹方法使实验室大小的加速器这一全新应用成为可能，例如作为紧凑X射线源、材料科学，甚至可能用于医学成像。这项技术目前正在开发之中。 由于太赫兹波的振荡速度很快，所以每个分量、每个步骤都必须精确同步。在加速器中，粒子通常是聚集成束飞行。由于磁场快速变化，在太赫兹加速器中，这些束团必须非常短，以确保沿束团的加速条件均匀。 为了提高束流质量，Zhang和他的同事建造了一个两阶段加速器：分段式太赫兹电子加速控制器（STEAM），可以利用太赫兹辐射压缩、聚焦、加速和分析电子束。研究人员把两个分段式太赫兹电子加速控制器（STEAM）装置串联起来，先把入射电子束长度从大约0.3毫米压缩到0.1毫米。利用第二个分段式太赫兹电子加速控制器（STEAM）装置加速压缩束。这个方案需要控制在千万亿分之一秒的水平上，能量分布减少了四倍，发射度提高六倍，是迄今为止束线参数最好的太赫兹加速器。 注入55千电子伏能量的电子净能量增益为70千电子伏，这是太赫兹加速器首次实现超过100%的能量提升。该耦合装置产生峰值强度为2亿伏/米的加速场，接近最先进的传统加速器。研究人员认为，若实现三倍以上的电子束压缩，再加上太赫兹能量更高，可能可以达到千兆伏每米的加速度梯度，因此利用太赫兹概念设计紧凑型电子加速器越来越有希望成为现实。
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  • 《最强光催化剂“出手”“水变氢”效率刷新世界纪录》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2022-01-20
    • 在太阳光或一缕LED紫外光照拂下，玻璃烧杯中加入一点点白色粉末，无须加热也无须其他能源，烧杯里的水便可源源不绝产生氢气，且经过数百小时的实验，这种白色粉末的量并未衰减。在云南大学材料与能源学院实验室，你能见到这样的“奇观”。 　　在碳达峰、碳中和背景下，洁净的氢成为未来的重要能源，高效、低成本制氢，特别是光解水制氢是科学家研究的方向。1月10日，国际著名期刊《自然·通讯》发表了云南大学柳清菊教授团队与英国伦敦大学学院唐军旺教授团队、华东师范大学黄荣教授团队合作的一项重要研究成果——以单原子铜锚定二氧化钛，成功制备新型光催化剂，其分解水制氢量子效率高达56%，被审稿人称为“世界纪录”。这意味着“水变氢”有了一条可实用化的新路径。 　　提高催化效率 才能助推光解水制氢走向实用化 　　氢能是一种清洁无污染的可再生能源，燃烧值很高，可达每千克140兆焦耳，其具有来源丰富、燃烧产物无二次污染等优点，有望代替石油和天然气，因而受到世界范围的广泛关注。若能得以大规模实际应用，将为“双碳”目标的顺利实现作出贡献。 　　“目前，制备氢的主要方法有化石燃料制氢和电解水制氢，但两种方法都需消耗传统能源。”柳清菊向科技日报记者介绍，化石燃料制氢，二氧化碳排放量大，每生产1千克氢气，将产生10千克左右的二氧化碳；而电解水制氢也存在能耗和成本问题。“在环境和能源问题日益严重的今天，开发清洁、可持续、低成本的制氢技术，推进氢能的发展显得尤为迫切和重要。”柳清菊说，采用光催化技术，利用太阳能驱动水分解制氢是一种极具发展前途的新方法。 　　自1972年科学家发现二氧化钛半导体具有光催化性能以来，光解水制氢一直受到学术界及产业界的关注与重视。在能量大于或等于半导体禁带宽度的光照射下，光催化材料价带中的电子吸收入射光子的能量跃迁到导带，形成“电子—空穴”对，空穴和电子迁移到材料表面，与表面吸附的水分子发生氧化还原反应，也就是电子与水发生还原反应产生氢气，空穴氧化水产生氧气。 　　然而，由于电子带负电，空穴带正电，使得光催化材料中光照所产生的“电子—空穴”很容易复合，导致产氢量子效率低下，严重阻碍了光解水制氢的发展。因此，如何阻止“电子—空穴”的复合，提高光催化制氢效率，成为目前国际上光催化研究领域的重大挑战之一，也是制约光催化制氢技术实用化的瓶颈难题。 　　这其中，光催化材料是核心。而光催化材料的活性、稳定性和成本是决定光催化技术能否实际应用的关键。 　　铜离子“补位” 新型光催化材料设计制备突破瓶颈 　　金属单原子催化剂是近年来迅速发展起来的新型催化剂。相比传统金属催化剂，金属单原子催化剂中的原子以单个的形式负载在载体上，在催化反应中可充分参与反应，实现反应活性中心的最大化，利用效率可接近100%，在理论上可以同时提高催化活性并降低成本。然而由于单原子具有极高的表面能，在合成和催化反应过程中容易团聚、稳定性差、寿命短且制备成本高，阻碍了其实际应用。 　　“这次起光催化作用的二氧化钛，是一种钛和氧规则排列的晶体，我们通过独特的合成工艺，在其中生成大量的钛空位。”柳清菊向记者解释，有了这些钛空位，就可以请铜离子来帮忙“补位”。 　　“通过对钛基有机框架材料MIL-125中钛空位的设计和可控合成，我们研制出具有大比表面积和丰富钛空位的二氧化钛纳米材料，以此为载体锚定过渡金属铜单原子，使铜与二氧化钛形成了牢固的‘铜—氧—钛’键。”柳清菊介绍，在光催化制氢反应过程中，一价阳离子铜和二价阳离子铜的可逆变化，大大促进了光生“电子—空穴”的分离和传输，大幅提高了光生电子的利用率，使产氢量子效率获得突破，达到56%。这项突破获得了欧洲科学院院士、伦敦大学学院光催化和材料化学终身教授唐军旺团队的验证。 　　成本、工艺更“亲民” 光解水制氢产业已初露曙光 　　新研制的二氧化钛基光催化材料，具有性能稳定、无毒、无二次污染等优点，且生物相容性好、制备方法简单、成本低，与传统方法相比优势明显。通常含贵金属的催化剂，催化活性高，但相应的成本也极高。“新材料中，我们用的是‘贱金属’铜，它储量大、价格低、易获得，这是成本降低的第一个方面。” 柳清菊介绍，此外，原有的催化材料中单个金属原子活性很大，很容易形成团簇，使得催化活性降低。研发团队将铜原子牢固地锚定在钛空位上，不容易团聚，创新性地解决了这个问题，稳定时间很长，在常温常湿条件下，样品放置380天之久，仍然具有与新制备样品相当的产氢性能，进一步降低了产氢成本；另外，新型光催化材料制备工艺简单，无需昂贵的设备，使光催化制氢更加“亲民”。 　　近年来，柳清菊团队在实验室进行了大量的基础研究，包括材料设计、合成工艺、机理研究、性能优化等，已获得稳定的高性能光解水制氢光催化材料的实验室制备工艺，正准备开展放大工艺研发，为后续产业化奠定基础。虽然传统的光催化材料成本高、量子效率低，国内光催化产氢市场尚未成熟，但随着产业链衔接及相关政策的完善，光催化制氢产业化已是曙光初露。 　　对柳清菊团队而言，56%的产氢量子效率也不是终点。“我们还在继续努力，使效率进一步提高，如果能够提高到70%以上，对生产应用的意义将是不言而喻的。”柳清菊说，找准了方向，效率再提升将不是梦。随着光解水效率进一步提高和成本进一步降低，氢能时代将加速到来，人类也将还地球以绿水青山。
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