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含鉬緊固件為大型強子對撞機護航

大型強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC),世界上最大的粒子加速器,使用了超過25萬個高強度、特種316L不銹鋼緊固件。這些含鉬緊固件使得粒子可以自由粉碎,而不會受到磁干擾,為粒子物理學(xué)研究以及宇宙奧秘探索做出重要貢獻。

大型強子對撞機

大型強子對撞機是粒子物理科學(xué)家為了探索新的粒子,和微觀量化粒子的“新物理”機制設(shè)備,是一種將質(zhì)子加速對撞的高能物理設(shè)備,是現(xiàn)在世界上最大、能量最高的粒子加速器,由27公里長的超導(dǎo)磁體環(huán)組成。坐落于日內(nèi)瓦附近瑞士和法國的交界侏羅山地下100米深,總長17英里(含環(huán)形隧道)的隧道內(nèi)。

大型強子對撞機于2008年9月初次啟動測試,2018年底開始對加速器進行維護升級,預(yù)計將在2021年恢復(fù)運行。除了系統(tǒng)的維護外,研究人員希望通過此次升級使得對撞機每秒碰撞次數(shù)能夠加倍提高,以便收集更多實驗數(shù)據(jù)。升級項目包括更換用來固定加速器真空管的緊固件,因為需要使用含鉬材料制成的連接件來確保實驗的順利進行。

大型強子對撞機

大型強子對撞機運作時,在其內(nèi)部由超導(dǎo)磁體驅(qū)動的兩束粒子束以接近光速的速度彼此撞擊。碰撞之前,粒子束在保持超高真空的兩個單獨的粒子束管中反向傳播。液氦將超導(dǎo)磁體冷卻到低于外太空的溫度:-271.3攝氏度。而在維護之前,工作人員就必須將加速器加熱到室溫方可操作。據(jù)了解,僅加速器加熱到室溫就需要花費大約四個月的時間,清除超過100噸的液氦。因此,使用可以適應(yīng)極端條件,且壽命長的高強度部件,例如鉬合金化材料的緊固件,是極其必要的。緊固件的強度意味著它們可以輕松承受升級后粒子束的強度。

大型強子對撞機升級中使用的緊固件有特殊要求,與標(biāo)準(zhǔn)316L不銹鋼緊固件相比,要求強度更高且磁導(dǎo)率更低。最低抗拉強度需達(dá)1000 MPa(相關(guān)ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最高抗拉強度為800 MPa),屈服強度至少為900 MPa(現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定一般為600 MPa),緊固件必須是非磁性的,以避免在加速過程中擾亂粒子的運動。為了滿足緊固件的這些性能要求,其生產(chǎn)商瑞典Bumax規(guī)定了較高的鉬含量:2.5%-3%(通常316L的鉬含量為2%-2.5%)。

含鉬緊固件

較高的鉬含量除了可以降低不銹鋼的磁導(dǎo)率以外,還可以提高緊固件的強度。由奧氏體不銹鋼制成的緊固件必須進行冷加工,以達(dá)到承受對撞機極致的溫度和力量等工作條件所需的抗拉強度。但是,在這種冷加工強化的過程中,316L不銹鋼的一部分非磁性奧氏體金相組織會轉(zhuǎn)變?yōu)橛写判缘男巫凂R氏體組織。這些微小的缺陷可能會干擾超導(dǎo)磁體之間的粒子流,從而阻礙加速器的功能。較高的鉬含量有助于防止這種馬氏體轉(zhuǎn)變。

此外,防止馬氏體轉(zhuǎn)變對于對撞機本身的結(jié)構(gòu)也十分重要,因此,大型強子對撞機27.4公里長、容納粒子束的真空管是由316LN不銹鋼制成。它是316不銹鋼的衍生牌號,較高的氮含量使材料具有更高的強度并防止馬氏體形成,使得對撞機可以正常運行。

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