الملخص:
تعمل المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية CERN على تطوير جيل جديد من المغناطيسات فائقة التوصيل للجولة التالية من التحسينات على مصادم الهادرونات الكبير (LHC). وقد وصلت هذه المغناطيسات، التي تستخدم مواد وعمليات تصنيع جديدة، إلى قوة مجال مغناطيسي تبلغ 11.3 تسلا في الاختبارات، وستصبح جزءًا مهمًا من مصادم الهادرونات الكبير عالي السطوع في المستقبل.
يستخدم مصادم الهادرونات الكبير مجالات مغناطيسية قوية للغاية للتحكم في حزم الجسيمات، مما يسمح للجسيمات بالسفر والتصادم بسرعات قريبة من سرعة الضوء، مما يساعد العلماء على دراسة التركيب الأساسي للمادة. في الوقت الحالي، يستطيع المصادم LHC إجراء حوالي 40 مليون تصادم في الثانية في تجربة واحدة، ويبلغ عدد الجسيمات المشاركة في كل تصادم حوالي 60. ومن خلال الزيادة المستمرة في تواتر الاصطدامات وعدد الجسيمات، يستطيع العلماء البحث بشكل أكثر فعالية عن الجسيمات النادرة والظواهر الفيزيائية التي لم يتم ملاحظتها من قبل.
المرحلة التالية من مشروع الترقية الذي تتقدم به المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية تسمى مصادم الهادرونات الكبير عالي الإضاءة، والذي من المتوقع أن يطلق جولة جديدة من التجارب بعد عام 2030. والهدف بعد الترقية هو زيادة عدد الجسيمات المشاركة في كل تصادم إلى 140 إلى 200، مع الحفاظ على تردد تصادم يبلغ حوالي 40 مليون مرة في الثانية. يشير ما يسمى بـ "السطوع العالي" إلى حقيقة أن المزيد من تصادمات الجسيمات يمكن أن تحدث في كل وحدة زمنية، مما يزيد من فرصة اكتشاف الظواهر الفيزيائية النادرة.
ولتحقيق ذلك، سيحتاج المصادم إلى مغناطيسات مدمجة وموثوقة ذات مجالات مغناطيسية أقوى. تستخدم مغناطيسات LHC ثنائية القطب التقليدية ملفات فائقة التوصيل من التيتانيوم والنيوبيوم (NbTi)، ويمكن أن تصل شدة المجال المغناطيسي إلى 8.3 تسلا، وهو ما يعادل حوالي 166000 ضعف شدة المجال المغناطيسي للأرض. ومع ذلك، فإن أداء مادة النيوبيوم والتيتانيوم قريب من الحد الأعلى لقوة المجال المغناطيسي التي يمكنها تحقيقها، لذلك بدأ جيل جديد من المغناطيس الرباعي في استخدام مواد فائقة التوصيل من النيوبيوم والقصدير (Nb₃Sn)، مع قوة مجال مغناطيسي مستهدفة قريبة من 12 تسلا.
تتمثل إحدى الصعوبات الرئيسية التي تواجه ترقية التكنولوجيا هذه في أن مواد النيوبيوم والقصدير لها خواص ميكانيكية مختلفة تمامًا عن مواد النيوبيوم والتيتانيوم التقليدية. يتمتع النيوبيوم والتيتانيوم بمرونة جيدة ويمكن ثنيه وجرحه بعد تشكيل مادة فائقة التوصيل؛ النيوبيوم-القصدير هش للغاية ولا يمكنه تحمل الضغط الميكانيكي الكبير الناتج أثناء عملية لف الملف بمجرد تشكيل مرحلة التوصيل الفائق.
لحل هذه المشكلة، اعتمد الباحثون عملية تصنيع تسمى "Wind-and-React". بكل بساطة، يتم لف المادة التي لم تشكل بعد مرحلة الموصلية الفائقة النهائية في ملف، ومن ثم من خلال المعالجة الحرارية بدرجة حرارة عالية، يتفاعل النيوبيوم والقصدير، وأخيرًا يتم تشكيل مادة فائقة التوصيل من النيوبيوم والقصدير.
خلال عملية التصنيع المحددة، استخدم فريق البحث لأول مرة كابلًا فائق التوصيل بطول 760 مترًا ولفه حول الإطار المركزي لتشكيل مجموعة من الملفات يبلغ طولها حوالي 7.2 مترًا وفتحات 150 ملم. يتم بعد ذلك وضع الملفات في بيئة غاز خامل لإجراء معالجة حرارية يتم التحكم فيها بشكل صارم.
تستمر عملية المعالجة الحرارية لعدة أيام، وترتفع درجة الحرارة بشكل متتابع، وتبقى عند حوالي 210 درجة مئوية و400 درجة مئوية لفترة من الزمن، وتصل في النهاية إلى حوالي 650 درجة مئوية. بعد هذه العملية، يتفاعل النيوبيوم والقصدير الموجودان في الكابل كيميائيًا لتكوين مركب النيوبيوم والقصدير ذي خصائص فائقة التوصيل.
نظرًا لأن مادة قصدير النيوبيوم هشة للغاية بعد تشكيلها، يجب توخي الحذر الشديد أثناء التعامل مع الملف لاحقًا. قد يؤدي أي انحناء مفرط أو تشوه ميكانيكي إلى تلف المادة فائقة التوصيل ويؤثر على الأداء الكهربائي والموثوقية الهيكلية للمغناطيس.
بعد الانتهاء من المعالجة الحرارية، يستخدم الباحثون أيضًا راتنجات الإيبوكسي السائلة لمعالجة الملف، مما يسمح للراتنج بملء الفراغات والشقوق والفجوات الداخلية، ثم يتصلب في هيكل بوليمر صلب لتحسين الاستقرار الميكانيكي للملف.
يقود مشروع التصنيع هذا فريق مكون من حوالي 60 شخصًا بقيادة مهندسة المغناطيس في CERN سوزانا إزكويردو بيرموديز. لقد شاركت في البحث والتطوير للمغناطيسات الجديدة منذ عام 2012، ويتضمن عملها اختبار لف الملفات والتصميم الكهرومغناطيسي والتصميم الميكانيكي والتصنيع والتحقق من الأداء.
وفقًا لنتائج البحث التي نشرها فريق البحث في IEEE Transactions on Applied Superconductivity، فقد قاموا بتصنيع أكثر من 120 ملفًا لمغناطيس بطول 4.5 متر وأكثر من 70 ملفًا لمغناطيس بطول 7.2 متر لمشروع ترقية LHC. يتطلب كل مغناطيس رباعي الأقطاب أربع ملفات.
أدى المشروع بأكمله إلى إنتاج 250 ملفًا، منها 25 ملفًا فشلت في متطلبات الجودة بسبب خطأ بشري وعيوب في الأداء الكهربائي أو الميكانيكي أثناء عملية التصنيع. وأشار الباحثون إلى أن هذا النوع من المغناطيس فائق التوصيل يتطلب دقة تصنيع عالية للغاية، وحتى العيوب الصغيرة جدًا قد تجعل الملف بأكمله غير قابل للاستخدام. كان هناك ملف كان لا بد من التخلص منه لأنه كان يشتبه في وجود جسيم معدني عالق بين اللف والمكون الواقي، مما قد يؤثر على أداء التشغيل.
في سبتمبر من هذا العام، أكمل الفريق اختبار مراقبة الجودة للمغناطيس الذي يبلغ طوله 7.2 متر، وأكد أن ذروة قوة المجال المغناطيسي وصلت إلى 11.3 تسلا. تعمل المغناطيسات حاليًا بشكل جيد، وقد بدأ الباحثون في مواصلة تصنيع الملفات الاحتياطية والمغناطيسات لتلبية احتياجات مشاريع ترقية LHC المستقبلية.
لا يقتصر هذا الإنجاز على مجرد السعي وراء أرقام أعلى للمجال المغناطيسي، ولكنه يعني أن المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) قامت بتطوير مواد النيوبيوم القصدير فائقة التوصيل بدءًا من البحث والتطوير المختبري وحتى مرحلة التصنيع الهندسي لمراقبة الجودة الصارمة على نطاق واسع. بالنسبة لمصادم الهادرونات الكبير عالي السطوع، سيساعد المجال المغناطيسي الأقوى الباحثين على التحكم في حزم الجسيمات بشكل أكثر فعالية، مما يسمح للمصادم بتحقيق قدرات أعلى لتصادم الجسيمات داخل مساحة معينة، مما يوفر بنية تحتية رئيسية لتجارب فيزياء الجسيمات بعد عام 2030.
تم نشر هذا البحث في "معاملات IEEE بشأن تطبيقات التوصيل الفائق" بتاريخ 24 سبتمبر 2026. قامت IEEE Spectrum بتحديث التقرير في 10 نوفمبر، لتصحيح عدد تصادمات الجسيمات في كل تجربة.
التعليقات