布鲁克海文国家实验室重新设计超导磁铁储存系统提升储存容量并节省成本

美国能源部布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）重新设计的超导磁铁储存系统预计可节省约 US$420,000 (约 HK$3,276,000)，同时提高未来粒子加速器所需设备的储存容量。该四层结构能在有限空间内容纳最多 45,000 磅的磁铁。此设计由罗切斯特理工学院（Rochester Institute of Technology，简称 RIT）四年级机械工程技术学生罗伯特·德贾尔丹（Robert Desjardins）在为期 10 周的暑期实习期间开发。

该设计将协助布鲁克海文储存约 80 个正在从相对论重离子对撞机（Relativistic Heavy Ion Collider，简称 RHIC）中移除的磁铁。这些设备预定于电子-离子对撞机（Electron-Ion Collider，简称 EIC）中重新使用，该加速器预计将于 2030 年代中期投入运行。每个超导磁铁长约 20 英尺，重量超过 10,000 磅。

新设计提升储存容量

新设计的支架在不需额外地面空间的情况下，将储存容量由三个磁铁增加至四个。

原有的储存支架设计于 1990 年代，仅能容纳三个磁铁。布鲁克海文需要一个更高的结构，以容纳额外的磁铁，同时满足承重和安全要求。德贾尔丹利用计算机辅助工程模型重新设计支架，审查现有蓝图，并与制造商合作评估提议的结构。德贾尔丹表示：“原有的支架于 1990 年代设计，当时只能容纳三个磁铁。他们希望将容量提高至四个。”此次重新设计还需要进行广泛的模拟，以评估结构强度、承重能力及抗震性能。

模拟检查确保安全性

这些检查旨在确定支架是否能安全支撑重型设备，包括在地震相关力量下的表现。德贾尔丹与布鲁克海文的机械工程师乔纳森·格林（Jonathon Greene）合作，后者是 RIT 的校友，并负责监督该项目。根据格林的说法，修订设计在提高储存系统高度的同时降低了成本。他表示：“罗伯特在提高高度的同时降低了原始设计的成本。这样我们节省了约 US$420,000 (约 HK$3,276,000)。”据报道，节省的金额与储存支架的重新设计有关，但提供的信息并未具体说明节省的计算方式，亦未提供独立验证该数字的资料。

布鲁克海文的 RHIC 已运行超过 26 年，让科学家能够在极端条件下研究物质。其中一些超导磁铁将保留用于新的电子-离子对撞机，而非被丢弃。EIC 的开发旨在调查质子和原子核的内部结构。该加速器将使电子与离子发生碰撞，让研究人员检视夸克和胶子在物质内部的行为。保留现有磁铁是实验室为两个设施之间过渡做准备的一部分。重新设计的支架将为设备提供储存空间，以便重新使用。

在开发过程中，德贾尔丹向布鲁克海文的工程师和科学家展示设计更新，并回答有关材料选择、安全评估和模拟结果的问题。布鲁克海文也记录了四层支架的原型。不过，提供的材料并未确认所有所需支架是否已制造，或约 80 个磁铁的完整库存是否已转移至储存。

该项目展示了一个相对简单的结构重新设计如何能够提高储存密度并降低基础设施成本，同时支持重大科学设施的建设。

结构重新设计对科学研究的重要性

布鲁克海文国家实验室的超导磁铁储存系统重新设计，不仅提升了储存容量，还显示出在有限空间内有效利用资源的潜力。这项技术创新对于未来粒子加速器的运行至关重要，因为它能够在不增加成本的情况下，支持更大规模的科学实验。通过这种方式，实验室能够更好地准备过渡到新设施，并确保现有设备的持续使用，从而促进科学研究的进步。