Máy gia tốc hạt lớn cần Helium lỏng để làm mát

Ứng dụng của Helium trong nghiên cứu cơ bản

Một trong những ứng dụng lạnh quan trọng của helium là trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu. Khi thảo luận cách heli được sử dụng trong nghiên cứu và nhu cầu của người sử dụng, để thuận tiện, người ta chia các phòng thí nghiệm nghiên cứu thành các cơ sở quy mô lớn và quy mô nhỏ.

Các phòng thí nghiệm quy mô lớn

Các phòng thí nghiệm quy mô lớn được đặc trưng bởi các công cụ nghiên cứu được sử dụng bởi nhiều, thường là hàng trăm nhóm nghiên cứu. Tất cả các cơ sở đó được hỗ trợ bằng nguồn ngân sách chính phủ và thường nằm trong các phòng thí nghiệm quốc gia.

Việc sử dụng helium trong các phòng thí nghiệm này là để làm mát thiết bị siêu dẫn cho máy gia tốc, máy dò hạt và nam châm nghiên cứu. Tại Hoa Kỳ, các cơ sở gia tốc hạt lớn nhất tồn tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, Phòng thí nghiệm Gia tốc Quốc gia Fermi, Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, Trung tâm gia tốc Thomas Jefferson và Phòng thí nghiệm Quốc gia Los Alamos.

Châu Âu cũng có một số máy gia tốc hạt lớn, bao gồm Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) tại Tổ chức Européenne pour la Recherche Nucléaire (CERN), nằm trên biên giới Pháp-Thụy Sĩ và Deutsches Elektronen Synchrotron (DESY) ở Hamburg, Đức.

Nghiên cứu vật lý hạt nhân và hạt nhân quy mô lớn được tiến hành trên khắp Châu Á, đặc biệt là ở Nhật Bản (tại Phòng thí nghiệm Vật lý năng lượng Cao [KEK] và các cơ sở J-PARC), Trung Quốc, Đài Loan và Hàn Quốc.

Ngoài ra, các dự án lớn sử dụng công nghệ siêu dẫn dựa trên helium đang được tiến hành, bao gồm các dự án nghiên cứu về siêu dẫn của Không quân Hoa Kỳ…

Các thiết bị gia tốc này dựa vào nam châm siêu dẫn, các lỗ khoét và các thành phần siêu dẫn khác để sản xuất và duy trì dầm hạt năng lượng cao. Các thành phần siêu dẫn được sử dụng trong các điều kiện nhiệt độ rất thấp, trong thực tế chỉ có thể đạt được với helium lỏng vì điểm sôi thấp và độ dẫn nhiệt cao.

Một lượng lớn helium cần sử dụng khi khởi động máy gia tốc hạt vì helium lỏng phải được phân phối dọc theo chiều dài của máy, có thể nhiều kilômét.

Các bộ gia tốc hạt siêu dẫn tuần hoàn helium của chúng trong một vòng kín. Do đó, sau khi được bơm đầy helium, các máy gia tốc chỉ cần thêm helium để thay thế tổn thất do rò rỉ, tai nạn, mất điện, vân vân.

Heli cũng được sử dụng trong các phòng thí nghiệm quy mô lớn vì nó thể hiện các tính chất siêu lỏng độc đáo dưới 2,17 K (đạt được bằng cách bơm đến áp suất thấp), bao gồm dẫn nhiệt rất cao.

Điều này làm cho nó có tác dụng làm mát khoang siêu dẫn sóng siêu dẫn (SRF). Một lượng đáng kể helium được yêu cầu cho sự phát triển của các lỗ khoan cho các dự án gia tốc hiện tại và trong tương lai bởi vì sự phức tạp của các hệ thống và chi phí hiện tại của helium làm cho thực tế nhất để thoát khí heli đã sử dụng vào khí quyển.

Thực tiễn này có thể thay đổi nếu các động lực kinh tế và các ưu đãi của chính phủ được mang lại.

Việc sử dụng chính thứ ba trong lĩnh vực này là dành cho nam châm nghiên cứu. Helium lỏng được sử dụng rộng rãi để làm mát các nam châm siêu dẫn nghiên cứu và thí nghiệm.

Các phòng thí nghiệm quy mô nhỏ

Một cơ sở quy mô nhỏ điển hình được vận hành bởi một nhóm cá nhân hoặc một nhóm các nhóm nghiên cứu nhỏ trong một môi trường học tập hoặc tại phòng thí nghiệm quốc gia.

Các hoạt động nghiên cứu này chủ yếu do các giảng viên và nhân viên của các viện nghiên cứu trong các trường đại học nghiên cứu và phòng thí nghiệm quốc gia và đôi khi ở các trường đại học nhỏ hơn trong khu vực.

Những nỗ lực nghiên cứu như vậy thường bao gồm một nhà nghiên cứu hàng đầu và một hoặc hai sinh viên sau đại học và nghiên cứu sinh.

Nghiên cứu được thực hiện trong các phòng thí nghiệm này có thể tương tự như ở các cơ sở có quy mô lớn nhưng bao gồm nhiều lĩnh vực và lợi ích nghiên cứu, bao gồm các chất liệu, chất cô đặc, hóa học, sinh học, sinh lý học.

Nói chung, ứng dụng lạnh trong các cơ sở này được sử dụng để cung cấp nhiệt độ thấp cho phép đo, để làm mát máy dò để đạt được nhiệt độ hoạt động hoặc giảm tiếng ồn, hoặc để làm mát các nam châm siêu nghiên cứu.

Helium lỏng là chất làm lạnh được sử dụng rộng rãi nhất (nitrogen lỏng thứ hai) và thường là cách duy nhất để đạt được nhiệt độ thấp cần thiết.

Ngoài môi trường mà nghiên cứu được tiến hành với helium lỏng, các phòng thí nghiệm nhỏ dựa vào helium lỏng để vận hành các công cụ chẩn đoán và đo lường.

Một trong những điều quan trọng hơn trong số các dụng cụ làm mát bằng tia helium là các thiết bị nhiễu lượng tử siêu dẫn. Các mức đo các trường từ cực nhỏ và được sử dụng trong nhiều nghiên cứu, từ các nghiên cứu sinh học về hoạt động của não đến việc đánh giá các đặc tính của vật liệu.

Các thiết bị sử dụng trong nghiên cứu thiên văn học và thiên thể học cũng phụ thuộc nhiều vào helium lỏng. Việc thu thập các tín hiệu cực kỳ yếu trong một số ngành dựa trên các máy dò bằng tia helium để giảm tiếng ồn điện và nhiệt. Những máy dò này, được phát triển thành những công cụ nghiên cứu cơ bản, thường được sử dụng cho nhu cầu phòng thủ quốc gia, chẳng hạn như phát hiện tàu ngầm.

Như vậy, ngoài những ứng dụng chúng ta đã biết, qua bài viết này, chúng ta còn thấy được một ứng dụng quan trọng nữa của Helium dựa trên tính chất lạnh của nó. Hi vọng sẽ giúp các bạn hiểu thêm về khí Heli. Một loại khí tuyệt vời trong cuộc sống của chúng ta.