Новости космоса и технологий. » Физика » Ученые перепрофилируют магнит МРТ для новых открытий

Ученые перепрофилируют магнит МРТ для новых открытий

Опубликовал: Admin, 31-10-2020, 01:01, Физика, 51, 0

Ученые перепрофилируют магнит МРТ для новых открытий

Ограничивающим фактором в современных физических экспериментах является точность, с которой ученые могут измерять важные значения, такие как магнитное поле внутри детектора. Ученые Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и их сотрудники разработали уникальную установку для калибровки устройств измерения поля и проверки их пределов в мощных магнитных полях.

В учреждении установлен соленоидный магнит от бывшего магнитно-резонансного томографа (МРТ), первоначально размещенного в больнице Сан-Франциско. Магнит создает максимальное поле 4 Тесла, что более чем в 400 раз превышает силу магнита холодильника. Его большое отверстие, первоначально предназначенное для удержания пациента во время МРТ, дает ученым достаточно места для размещения устройств и механизмов внутри магнитного поля. Поле, создаваемое магнитом, также исключительно однородно и стабильно, что является требованием для калибровки измерительных устройств со сверхвысокой точностью, необходимой для многих экспериментов по физике элементарных частиц и ядерной физике.

«Мы работали с несколькими исследователями в Аргонне и из других организаций, которым требуется сильное магнитное поле и большой диаметр ствола для проверки своих исследований», - сказал Питер Винтер, физик и руководитель группы в Аргоннском отделении физики высоких энергий. «Ученые приносят свои устройства и электронику, а мы предоставляем наш магнит, знания и инфраструктуру, чтобы помочь автоматизировать процессы и обеспечить успех испытаний».

Команда ищет новых пользователей для продолжения расширения портфеля приложений объекта.

Калибровочная станция

Основное применение испытательного стенда для соленоидов в Аргонне - калибровка и перекрестная калибровка измерительных датчиков для достижения высокой точности и добавления уровней согласованности между аналогичными экспериментами по всему миру.

Первоначально аргонские ученые приобрели магнит для тестирования и калибровки нескольких зондов, разработанных Массачусетским университетом для измерения магнитного поля в эксперименте с мюоном g минус 2 (мюон g-2), который в настоящее время проводится в Национальной ускорительной лаборатории Ферми Министерства энергетики США (Фермилаб). Испытательная установка позволила ученым достичь точных полевых измерений до нескольких частей на миллиард - например, измерения окружности Земли примерно до двух дюймов.

Точное измерение поля в эксперименте имеет решающее значение, потому что напряженность магнитного поля играет важную роль в окончательном определении g, свойства мюона, определение которого либо подтвердит существующие теории физики элементарных частиц, либо укажет на существование неоткрытых частиц.

«Эта установка позволила группе исследователей магнитного поля Muon g-2 достичь строгих целей эксперимента, уменьшив погрешности и повысив надежность наших измерений», - сказал Дэвид Кавалл, физик и профессор Массачусетского университета. «Насколько мне известно, в мире нет аналогичных объектов, и доступ к этим инструментам в Аргонне был существенным для успеха магнитного поля на Muon g-2».

Будущие эксперименты с g-2 будут проводиться в Японии на Японском ускорительном комплексе протонов (J-PARC) Организации по исследованию ускорителей высоких энергий (KEK). Японские сотрудники во главе с Кен-ичи Сасаки используют эту установку для перекрестной калибровки своих датчиков магнитного поля с датчиками, используемыми в Фермилабе.

«Гарантируя, что все наши датчики считывают одни и те же значения в одном и том же магнитном поле, мы добавляем достоверность измерениям, полученным в обоих экспериментах с g-2», - сказал Сасаки, профессор KEK и руководитель подразделения криогенной секции в J -ПАРК.

Другой мюонный эксперимент, Эксперимент по спектроскопии мюония с использованием микроволн (MuSEUM), внесет свой вклад в японский эксперимент с g-2 точно измерив отношение масс мюона к электрону, значение, также включенное в определение g-2.

В эксперименте KEK в Японии используются калибровочные зонды ядерного магнитного резонанса (ЯМР), очень похожие на эксперимент g-2. Развитие пакета зонд для MuSEUM возглавляет Тоя Танака, аспирант Токийского университета, который использует соленоид для калибровки зондов эксперимента. Сотрудничество между японскими и американскими учеными обеспечит стабильное измерение поля в экспериментах с g-2 и MuSEUM.

Разработка зондов гелия и Холла

В рамках партнерства с Томасом Штраусом из Fermilab другая японская группа, возглавляемая Норихито Охучи и Ясуси Аримото из KEK, использует оборудование для калибровки своего собственного зонда, называемого зондом Холла, для предстоящего эксперимента SuperKEKB.

Хотя датчики Холла менее точны, чем датчики ЯМР, используемые в текущих экспериментах с g-2 они могут измерять не только величину магнитное поле с градиентом поля, но и его направлением.

SuperKEKB, недавно модернизированный трехкилометровый электронно-позитронный коллайдер, ускоряет частицы, называемые электронами и позитронами, очень близко к скорости света. Ученые будут использовать измерения частиц, образовавшихся в результате столкновений, чтобы исследовать возможное объяснение асимметрии материи и антивещества во Вселенной.

В эксперименте SuperKEKB задействованы пять сверхпроводящих соленоидных магнитов в области столкновения пучков. Поля соленоида сильно влияют на эффективность столкновений. Чтобы повысить эффективность столкновения пучков, команда будет использовать откалиброванные данные датчиков Холла, чтобы получить более точные профили поля соленоида.

«Используя испытательную установку в Аргонне, мы считаем, что можем на порядок повысить точность датчиков Холла», - сказал Охучи, профессор KEK и руководитель группы сверхпроводящих магнитов в лаборатории ускорителей. «Это позволит нам отображать сложные магнитные поля, создаваемые магнитами SuperKEKB, и улучшить качество лучей».

Другой предстоящий эксперимент в Фермилабе, названный Mu2e, также будет использовать датчики Холла для картирования поля. В эксперименте используется соленоид магнит как у Аргонна, но большего размера, для измерения взаимодействия мюонов. Действующая Стандартная модель физики элементарных частиц позволяет мюонам распадаться определенным образом, но для этого эксперимента ученые будут искать запрещенное взаимодействие, возникновение которого нарушит Стандартную модель и укажет на новую физику.

Способность зондов Холла измерять направление поля делает их предпочтительным зондом для эксперимента Mu2e, но дополнительные возможности требуют еще большего контроля качества. Ученые Аргонна взяли на себя ответственность за картирование поля в эксперименте Mu2e, и они используют испытательную установку для калибровки зондов.

«Если у вас есть небольшое несоответствие между направлением, с которого зонд считывает свои измерения, и тем местом, где на самом деле указывает поле, измерение может очень быстро отклониться от истинного значения», - сказал Боб Вагнер, руководитель группы картирования поля в Аргонне. . «Наш магнит позволяет нам выровнять оси зондов относительно поля и друг с другом».

По мере того как датчики Холла становятся более точными и точными с помощью испытательной установки в Аргонне, дебютирует новый датчик, использующий гелий. Группа исследователей из Мичиганского университета во главе с профессором Тимом Чуппом и Мидхатом Фаруком разработала новый калибровочный датчик, который будет служить дополнительной проверкой при измерении полей

Изотоп гелия в зонде, гелий-3 представляет собой инертный газ, который ведет себя иначе, чем вода, используемая в традиционных зондах, и обладает потенциалом для большей точности. «Мы использовали аргонский испытательный магнит для перекрестной калибровки нашего датчика с двумя датчиками воды, в том числе один с той же конструкцией, что и датчик UMass, и пришли к согласию с высокой точностью, подтверждая, что любые эффекты, которые мы не учли, довольно незначительны», - сказал Чупп. «Наш следующий шаг - перекрестная калибровка зонда UMass с улучшенным зондом гелия-3 который будет еще более точным».

Фарук и его команда опубликовали статью в Письма о физических проверках в июне 2020 года об успехе их гелиевого зонда.

Растущий список приложений

С тех пор, как была принята первая группа внешних пользователей - ученых из Университета Стоуни-Брук, которые протестировали магнитный плащ для защиты электроники в экспериментах, - приложения и база пользователей объекта значительно выросли.

Помимо калибровки зонда, магнит также помог в тестировании и разработке различного экспериментального оборудования. Джунци Се из Аргонны, ученый из физического отдела лаборатории, использует магнит для разработки детекторов, которые работают в сильных магнитных полях для фоточувствительных приложений. В будущем детекторы найдут применение в электронно-ионном коллайдере, который будет построен в Брукхейв при Министерстве энергетики США.n Национальная лаборатория.

Компания Fermilab недавно использовала магнит для тестирования своих лазерных метрологических систем, которые они используют для измерения расстояний и юстировки оборудования в экспериментах. Они проверили способность нескольких лазерных трекеров, которые могут измерять расстояния на субмиллиметровом уровне, оставаться точными в присутствии сильных магнитных полей.

«Центр также был полезен для обучения нового поколения ученых, - сказал Кавалл, - и сформированное международное сотрудничество принесет непреходящую пользу».


Источник


У данной публикации еще нет комментариев. Хотите начать обсуждение?

Написать комментарий
Имя:*
E-Mail:
Введите код: *
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив


Поиск по сайту
Полезные ссылки
Оцените работу сайта

TEHNONEWS

Новости космоса технологий нанотехнологий физики и химии