美國學生設計超導磁鐵儲存架以支援全球首個電子-離子對撞機項目

一名美國學生設計了可支撐高達 45,000 磅超導磁鐵的大型儲存架，將用於全球首個電子-離子對撞機（EIC）。這些四層儲存架由羅徹斯特理工學院（RIT）機械工程技術系的高年級學生羅伯特·德賽賈丁斯（Robert Desjardins）及其導師、EIC 機械工程師喬納森·格林（Jonathon Greene）共同創建。這些結構將用於儲存來自布魯克海文國家實驗室（BNL）相對論重離子對撞機（RHIC）的超導磁鐵。

約 80 個磁鐵將從 RHIC 中移除，並在過渡到 EIC 的過程中需要儲存。一些設備可能會稍後被重新用作新機器的備件。根據團隊的說法，單個磁鐵的重量可達 12,000 磅。由於倉庫的地面空間有限，工程師們決定改為垂直儲存。「地面空間非常緊張，」格林表示。「因此，應該向上建設，而不是向外擴展。」

四層儲存架設計的挑戰

堆疊大型磁鐵的團隊之前在三層儲存架上儲存磁鐵，而天花板空間受到限制。相比之下，新的設計將儲存架的層數增加到四層，並且足夠堅固以安全支撐巨大的負載。「這就是這些儲存架的目的，」格林解釋道。「我們有很多磁鐵需要儲存。」然而，增加第四層需要更新一個已有數十年歷史的設計。德賽賈丁斯在該設施的能源部夏季實習期間開始重新設計這一結構。他所依據的設計源自於 1990 年代的手繪圖紙。

根據德賽賈丁斯的設計製作的原型磁鐵儲存架。圖片（David Rahner）/布魯克海文國家實驗室。「挑戰之一就是降低成本，同時加強儲存架的強度，以使其能夠支撐四個磁鐵，」德賽賈丁斯解釋道。初步設計在十週後完成。「這需要大量的分析，」格林透露。「但我認為我對他的設計沒有做太多改動。」隨後，學生聯繫了當地製造商，發現一些現成的部件比 1990 年代設計中使用的定製部件更便宜。

安全測試與結構評估

根據其設計製作的第一個儲存架於 6 月運抵。該儲存架還必須能夠承受潛在的地震，而不會影響儲存的磁鐵安全。為確保它能滿足這些需求，工程師對原型進行了多次安全和結構性評估，包括屈曲、靜載荷、模態和地震分析。

在完成安全測試後，格林確認該儲存架符合當今的結構工程標準。他預計約 80 個來自 RHIC 的磁鐵將以其導師的設計儲存於 EIC。「羅伯特成功設計的儲存架能夠承受超過 45,000 磅的重量，」格林表示。團隊計劃保留每種類型的 RHIC 磁鐵。德賽賈丁斯的重新設計預計將為該項目節省約 US$420,000 (約 HK$3,276,000)。德賽賈丁斯指出，看到自己的設計變成實體結構是一種獨特的體驗。

「看到我在十週的夏季期間設計的東西在現實中建造起來，這簡直不可思議，」這位來自長島的學生在新聞稿中表示。RHIC 運作了 26 年，使用超導磁鐵聚焦和引導粒子束在其 2.4 英里長的圓環中運行。BNL 團隊於四月開始拆除加速器的部件，為其繼任者的準備工作向前推進。團隊旨在保留那些未立即需要的可行磁鐵。EIC 將重用 RHIC 現有基礎設施中的重要部分，包括其中一個離子儲存環。

新的電子加速器和儲存環也將建造完成。與 RHIC 不同的是，EIC 將電子撞擊質子和原子核。研究人員將利用這些碰撞來探究物質的內部結構，並研究構成質子和中子的基本粒子夸克和膠子在原子核內的行為。

新設計對科研項目的影響

這個儲存架的設計不僅解決了空間限制的問題，還能有效支撐重達 45,000 磅的磁鐵，顯示出創新設計在科研基礎設施中的重要性。隨著電子-離子對撞機項目的推進，這樣的設計不僅提升了儲存效率，還能節省大量成本，顯示出學生在實踐中能夠對專業領域做出貢獻。這一案例也反映了學術界與實際工程需求之間的緊密聯繫，對未來的科研項目具有示範意義。