大型强子对撞机是如何冷却的?
大型强子对撞机(简称LHC)的冷却系统可能是该项目第二令人兴奋的方面。当然，第一种是精确引导的粒子束，物理学家希望它能帮助重现宇宙起源时的条件。与这些粒子物理学的烟火相比，冷却系统可能看起来不太华丽，但它极其重要。如果没有最先进的冷却系统，大型强子对撞机就不可能完成它的工作。每次粒子束碰撞将包含约7万亿电子伏;尽管迄今为止记录的最大碰撞只有3.5 TeV，但大型强子对撞机已经创造了能量最大的人造粒子束对撞。
为了安全运行并让科学家捕捉到难以捉摸的希格斯玻色子粒子，冷却系统需要将LHC保持在极低的温度下。冷却系统将整个系统的温度保持在1.8开氏度，对于那些在家观察的人来说，这是零下271摄氏度。为了在引导粒子束的电磁铁中诱导超导性，1.8度K非常接近绝对零度，在这个温度下所有分子都停止运动。这些温度是如此之低，以至于他们必须安装从未使用过的冷却设备，这些设备由林德公司制造。
地球上唯一能达到如此低温的冷却剂是液氦，这是一种具有一些独特性质的超冷流体。因此，冷却系统在很大程度上依赖液氦。它由8个独立的冷却系统组成，每个冷却系统沿着大型强子对撞机的17英里环间隔开来。每个冷却系统都有一个冷箱，里面装有压缩系统。冷却系统直接负责将磁体保持在超导温度，这是一个不小的壮举。将磁铁冷却到1.8 K需要数周的时间，这意味着当任何给定的部件出现故障或需要更换时，都需要长时间的延迟。
LHC偶极子的图像，取自Flickr。
设计规范
冷却系统是由瑞士林德科技公司设计和制造的。由于林德在冷却系统设计方面的工作，欧洲核子研究中心于2003年授予林德金强子奖。林德和另外两家公司的代表负责冷却系统的运行。
这些冷却系统使用两种不同的过冷液体:液氦和液氮。该系统总共使用了130吨液氦和1万吨液氮，必须完全无泄漏才能运行。系统中40,000个焊缝中的任何一个泄漏都可能造成严重损坏，并导致长达数月的停机。
为了引导微小的粒子束，必须使用非常强大的磁铁。每个磁铁的磁场为8.36特斯拉(典型的电磁铁不能超过2特斯拉)。磁铁长14米，内径56毫米。
为了达到所需的极限磁场强度，这些磁铁采用了先进的技术:它们由铌钛合金制成，外面包裹着铜。这并不是一项全新的技术，它是在20世纪60年代发明的，但它在比过去低得多的温度下运行。这些超低温和高场强限制了可以使用的材料。在工作时，磁性电缆需要能够在1.5开尔文的条件下携带15,000安培的电流，同时能够抵抗每米电缆中数百吨的力。
为了保持1.9 K的工作温度，大型强子对撞机在4.5 K时的制冷能力为150kw (1.9 K时为20kw)，这种制冷能力是通过在磁铁周围使用热交换器获得的。热交换器使用比铜导热一千倍的液氦作为工作流体。热交换器含有液态和蒸汽氦的混合物;蒸汽被带到集管，在那里它被压缩到大气压力。
另一个LHC的磁铁视图。图片来自Flickr。
问题
不幸的是，大型强子对撞机出现了一些挫折，使研究推迟了几个月;这些事故通常是由冷却系统故障引起的。即使是最轻微的冷却故障也会导致灾难，因为仅磁铁就含有大约10亿焦耳的能量。磁体绝缘故障导致氦泄漏，导致仅运行一周后就关闭了一年。其他问题也出现了，通常也涉及到冷却系统的某些方面。