Национальная лаборатория сильных магнитных полей ( MagLab ) — это учреждение в Университете штата Флорида , Университете Флориды и Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико, которое проводит исследования магнитного поля в физике , биологии , биоинженерии , химии , геохимии , биохимии . Это единственное подобное учреждение в США [1] и одно из двенадцати [2] учреждений сильных магнитных полей по всему миру. Лаборатория поддерживается Национальным научным фондом и штатом Флорида и работает в сотрудничестве с частной промышленностью.
Лаборатория установила несколько мировых рекордов по самым сильным магнитам в мире, включая самое сильное магнитное поле в 45,5 Тесла . [3] Для экспериментов по ядерно-магнитной резонансной спектроскопии ее 33-тонный (29-тонный; 30 т) последовательно соединенный гибридный (SCH) магнит побил рекорд во время серии испытаний, проведенных инженерами и учеными MagLab 15 ноября 2016 года, достигнув своего полного поля в 36 Тесла. [4]
В 1989 году Университет штата Флорида (FSU), Национальная лаборатория Лос-Аламоса и Университет Флориды представили в Национальный научный фонд (NSF) предложение о создании новой национальной лаборатории, поддерживающей междисциплинарные исследования в области сильных магнитных полей. План предполагал партнерство федерального и государственного уровня, направленное на поддержку исследований, связанных с магнитами, научно-технического образования и партнерской промышленности. Целью было сохранение конкурентоспособности США в области исследований и разработок, связанных с магнитами. После конкурса рецензий NSF одобрил предложение консорциума под руководством FSU.
В конкурирующем предложении NSF, Массачусетский технологический институт (MIT), Университет Айовы , Университет Висконсин-Мэдисон , Брукхейвенская национальная лаборатория и Аргоннская национальная лаборатория предложили усовершенствовать существующую лабораторию магнитов Фрэнсиса Биттера мирового класса в MIT. 5 сентября 1990 года исследователи MIT попросили 21 члена Национального научного совета (NSB) «пересмотреть и пересмотреть» свое решение. [5] Имея на кону 60 миллионов долларов в гранте NSF, MIT заявил, что постепенно закроет лабораторию Фрэнсиса Биттера, если проиграет апелляцию, что стало первым случаем такого рода в истории NSF. Запрос был отклонен 18 сентября 1990 года. [6]
Первые годы существования лаборатории были потрачены на создание инфраструктуры, строительство объекта и набор преподавателей. Комплекс Таллахасси был открыт 1 октября 1994 года при большом скоплении людей, основным докладчиком был вице-президент Эл Гор .
Научно не подтвержденная народная легенда и популярная шутка среди жителей Таллахасси заключается в том, что магнитная лаборатория защищает Таллахасси от ураганов и непогоды в целом. [7] [8]
Миссия лаборатории, сформулированная NSF, заключается в следующем: «Предоставлять самые сильные магнитные поля и необходимые услуги для научных исследований, проводимых пользователями из широкого спектра дисциплин, включая физику, химию, материаловедение, инженерию, биологию и геологию».
Лаборатория фокусируется на четырех целях:
National MagLab продвигает научное образование и поддерживает преподавателей естественных наук, инженерии и естественных наук через свой Центр интеграции исследований и обучения. Программы включают наставничество в междисциплинарной учебной среде. Через Magnet Academy [9] веб-сайт лаборатории предоставляет образовательный контент по электричеству и магнетизму.
National MagLab также проводит ежемесячные экскурсии, открытые для публики, и проводит ежегодный день открытых дверей, на который приходят около 10 000 человек. Специальные возможности для экскурсий и просветительской работы также доступны для местных школ. В интервью Skepticality доктор Скотт Ханнас сказал: «Если вы приедете в третью субботу февраля, я думаю, у нас будет день открытых дверей, и у нас будут катушки Тесла, стреляющие искрами, и мы плавим камни в геохимической группе, и мы измеряем скорость звука, и у нас есть лазеры и картофельные пусковые установки, и у нас просто есть всякие штуки, демонстрирующие небольшие научные принципы и прочее. Мы собираемся вместе, и к нам приходит около 5000 человек, чтобы прийти и осмотреть физическую лабораторию, которая является довольно удивительной группой людей». [10]
Лаборатория Таллахасси в Университете штата Флорида представляет собой комплекс площадью 370 000 кв. футов (34 000 м 2 ) и насчитывает около 300 преподавателей , сотрудников, аспирантов и постдокторантов . Ее директор — физик Кэтлин Эмм. [11] [12] Ее главный научный сотрудник — Лора Грин .
Объект содержит 14 резистивных магнитных ячеек, подключенных к источнику питания постоянного тока мощностью 48 мегаватт, и 15 000 квадратных футов (1400 м 2 ) охлаждающего оборудования для удаления тепла, выделяемого магнитами. Объект содержит несколько магнитов, включая гибридный магнит на 45 Тесла , который сочетает в себе резистивные и сверхпроводящие магниты. Лабораторный резистивный магнит на 41,4 Тесла является самым сильным резистивным магнитом постоянного тока (непрерывного поля) в мире [13] , а магнит Кека на 25 Тесла имеет самую высокую однородность среди всех резистивных магнитов. [14]
Эта программа обслуживает широкую пользовательскую базу в области ЯМР- спектроскопии растворов и твердого тела , а также МРТ и диффузионных измерений при высоких напряженностях магнитного поля. Лаборатория разрабатывает технологию, методологию и приложения при высоких магнитных полях как посредством внутренних, так и внешних пользовательских действий. Магнит ЯМР собственного производства 900 МГц (21,1 Тесла) имеет сверхширокое отверстие диаметром 105 мм (около 4 дюймов), этот сверхпроводящий магнит имеет самое высокое поле для МРТ-исследования живых животных. [15]
Программа Фурье-преобразования ионно-циклотронного резонанса масс-спектрометрии занимается разработкой инструментов и методик, а также приложений масс-спектрометрии FT-ICR. Под руководством директора Алана Г. Маршалла программа непрерывно разрабатывает методики, инструменты и приложения масс-спектрометрии FT-ICR. Программа имеет несколько инструментов, включая систему 14,5 Тесла, 104 мм.
Наиболее распространенной формой ЭМР является электронный парамагнитный/спиновый резонанс (ЭПР/ЭСР). В экспериментах ЭПР наблюдаются переходы между подуровнями mS электронного спинового состояния S, которые расщепляются приложенным магнитным полем, а также взаимодействиями тонкой структуры и электронно-ядерными сверхтонкими взаимодействиями. Эта техника применяется в химии, биохимии, биологии, физике и материаловедении.
Подразделение Magnet Science and Technology занимается разработкой технологий и экспертных знаний для магнитных систем. Эти проекты по магнитам включают создание передовых магнитных систем для площадок в Таллахасси и Лос-Аламосе, сотрудничество с промышленностью по разработке технологий для улучшения возможностей производства магнитов с высоким полем и улучшение систем магнитов с высоким полем посредством исследований и разработок.
Также в штаб-квартире лаборатории FSU Центр прикладной сверхпроводимости развивает науку и технологию сверхпроводимости как для низкотемпературных материалов на основе ниобия, так и для высокотемпературных купратов или материалов на основе MgB2 . ASC занимается сверхпроводниками для магнитов для термоядерного синтеза, физики высоких энергий, МРТ, а также линий электропередач и трансформаторов.
Внутренняя исследовательская программа использует возможности MagLab для проведения высокотехнологичных исследований в области науки и техники, одновременно совершенствуя пользовательские программы лаборатории за счет разработки новых методов и оборудования.
Ученые группы по конденсированному состоянию концентрируются на различных аспектах физики конденсированного состояния , включая исследования и эксперименты, связанные с магнетизмом, квантовым эффектом Холла , квантовыми осцилляциями, высокотемпературной сверхпроводимостью и системами тяжелых фермионов.
Программа исследований геохимии сосредоточена на использовании микроэлементов и изотопов для понимания процессов и окружающей среды Земли. Научные интересы варьируются от химической эволюции Земли и Солнечной системы с течением времени до проблем локального масштаба, связанных с источниками и переносом экологически значимых веществ. Исследования, проводимые подразделением геохимии, касаются земных и внеземных вопросов и включают наземные и морские экспедиции и миссии космических аппаратов. Совместно с кафедрами химии и океанографии FSU, геохимия начала программу по биогеохимической динамике.
Другие программы включают криогенику, оптическую микроскопию, квантовые материалы и резонансную ультразвуковую спектроскопию.
В лаборатории также есть группа по исследованию материалов, которая изучает новые способы создания высокопрочных магнитных материалов с использованием более распространенных и дешевых элементов. [10]
В Национальной лаборатории Лос-Аламоса в Нью-Мексико находится Импульсный полевой центр, который предоставляет исследователям экспериментальные возможности для широкого спектра измерений в неразрушающих импульсных полях до 101 Тесла (75 Тл в настоящее время и 101 Тл в ремонте). Магниты импульсного поля создают сильные магнитные поля, но только на доли секунды. Лаборатория расположена в центре Лос-Аламоса. В 1999–2000 годах центр был перемещен в новый специально спроектированный Экспериментальный зал для лучшего размещения пользовательских операций и поддержки. Программа является первым и единственным пользовательским центром с сильным импульсным полем в Соединенных Штатах.
Объект предоставляет широкий спектр экспериментальных возможностей для 100 Тесла, используя короткие и длинные импульсные магниты. Питание поступает от импульсной энергетической инфраструктуры, которая включает в себя двигатель-генератор мощностью 1,43 гигаватта и пять 64-мегаваттных источников питания. Двигатель-генератор весом 1200 тонн установлен на инерционном блоке весом 4800 коротких тонн (4350 т), который опирается на 60 пружин для минимизации толчков земли и является центральным элементом Лаборатории импульсного поля.
Магниты объекта включают длинноимпульсный магнит 60 Тесла (находится в ремонте), который является самым мощным в мире магнитом с контролируемыми импульсами.
Университет Флориды является домом для пользовательских объектов в области магнитно-резонансной томографии или (МРТ) с ультранизкотемпературной, ультратихой средой для экспериментальных исследований в High B/T (высокое магнитное поле/низкая температура) Facility. Также имеются объекты для изготовления и характеризации наноструктур в новом наномасштабном исследовательском центре, работающем совместно с Major Analytical and Instrumentation Center университета.
Установка High B/T является частью лаборатории Микрокельвина физического факультета и проводит эксперименты в сильных магнитных полях до 15,2 Тесла и при температурах до 0,4 мК одновременно для изучения намагниченности, термодинамических величин, измерений переноса, магнитного резонанса, вязкости, диффузии и давления.
Объект удерживает мировые рекорды по высокому B/T в отсеке 1 для краткосрочных возможностей слабого поля и мировые рекорды по долгосрочным (> 1 недели) экспериментам с сильным полем. [16] Исследовательская группа лидирует в мире по коллективным исследованиям квантовых жидкостей и твердых тел с точки зрения широты и низкотемпературных методов (термометрия, ЯМР, ультразвук, теплоемкость, охлаждение образцов).
Программа Advanced Magnetic Resonance Imaging and Spectroscopy содержит возможности для Mag Lab's NMR и MRIProgram, которые дополняют возможности в штаб-квартире лаборатории в Таллахасси. Программа находится в McKnight Brain Institute при Университете Флориды. Их инструменты включают 600 МГц NMR-магнит с 1,5 мм тройным резонансом, высокотемпературный сверхпроводящий зонд, который обеспечивает самую высокую 13C-оптимизированную массовую чувствительность любого зонда в мире. [17]
30°25′31″с.ш. 84°19′15″з.д. / 30.425215°с.ш. 84.320915°з.д. / 30.425215; -84.320915