说到磁铁 ， 大家也许会想到我们小时候玩过的马蹄形磁铁 。 我们可以用这种磁铁做各种游戏 ， 比如隔空移物 。 而现在的小朋友 ， 简直不要太幸福 ， 磁力片、磁力火车、磁力钓鱼玩具 ， 种类非常丰富 。 还有办公和教学用的白板磁钉 ， 从旅游景点带回的冰箱贴……
这些小磁铁看起来不起眼 ， 可几乎每个人的生活里都会用到 。 它们都有一个共同的特点 ， 是永磁铁 。
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图：马蹄形磁铁 图片来源 | 未来素材
今天 ， 我们要向大家介绍的是磁铁家族里的大家伙 ， 它们一般都重达好几吨以上 ， 几百吨的也不少见 。 作为加速器的重要元件之一 ， 它们中不仅有永磁铁 ， 还有各种各样的电磁铁 。 它们常年在实验室里低调地工作 ， 与大家见面的机会并不多 。 下面我们就一起来认识一下这些重量级的大家伙们吧！
科学家通过“拆装”探索微观世界
作为好奇的“熊孩子” ， 我们总是想把陌生的东西拆开看看 。 收音机、闹钟、随身听这些小物件 ， 在我们童年拆东西的“黑历史”中无一幸免 。
科学家就像好奇的小朋友 ， 也在通过不断地“拆装”满足好奇心 ， 进而加深对整个世界的认识 。 只不过他们拆的是更“小”的东西 ， 比如微观粒子！都说“工欲善其事 ， 必先利其器” ， 加速器就是帮助科学家打开微观世界之门 ， 探索原子核乃至更微观粒子奥秘的工具 。
欧洲核子研究中心的大型强子对撞机LHC（Large Hadron Collider） ， 其周长为27km ， 曾经成功帮助科学家找到了传说中的上帝粒子——Higgs粒子 ， 是目前世界上最大的加速器装置 。 而在中国 ， 当前也有好几台大型加速器正在运行 ， 比如北京正负电子对撞机、合肥同步辐射光源、上海光源以及兰州重离子加速器 。
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图 大型强子对撞机示意图 图片来源 | CERN
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图 兰州重离子加速器装置模型 图片来源 | 近代物理所【磁铁|磁铁玩具玩遍了？这个大家伙也许你没见过】加速器是一个非常复杂的系统 ， 是由很多复杂的元件组成的 。 看看上面那张图 ， 那些从头至尾整齐排列的黄黄蓝蓝的东西是什么？
它们就是加速器的“躯干”——磁铁 。
磁铁 ， 束流的向导
加速器中的带电粒子 ， 需要按照一定的轨道运动并储存能量（加速） ， 同时也需要沿着某个轨迹去打靶 。 带电粒子（各种粒子束 ， 也叫束流）没有眼睛 ， 也没有耳朵 ， 是无法感知周围环境的 ， 需要磁铁作为导游来引导它们 。 因此 ， 磁铁在加速器中相当重要！
那么 ， 究竟什么样的磁铁 ， 才能当此重任呢？
上世纪30年代 ， 欧内斯特·劳伦斯（Ernest Orlando Lawrence）在美国建成了世界上第一台回旋加速器 。 回旋加速器的磁铁就是在圆柱形极头上缠绕线圈 ， 使之产生垂直磁场 ， 使粒子在进入磁场区域中能够按照科学家的意愿行进 。
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图 1931年劳伦斯和学生利文斯顿研制的一种微型回旋加速器（直径约10cm） ， 这是世界上最小的加速器 图片来源 | LBNL
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图 劳伦斯（右）和他的学生利文斯顿站在由他们设计的回旋加速器旁 图片来源 | LBNL1950年 ， 希腊工程师Christofilos写出了一份未发表的名为“磁共振加速器中离子和电子的聚焦系统”的报告 ， 阐述了强聚焦原理 。 两年后 ， 美国布鲁克海文实验室的E. D. Courant和H.S.Snyder等人提出交变梯度同步加速器原理 。 这使得加速器物理及技术有了革命性的发展 ， 诞生了能够累积更高能量的环形加速器 。 同时 ， 磁铁的模样也发生了很大的变化 。
目前 ， 环形加速器所使用的磁铁主要有电磁和永磁两种形式 ， 其中电磁铁中又有常温和超导两种 。
常温磁铁
顾名思义 ， 常温磁铁就是在常温下运行的磁铁 。 它是通过诸如铜铝等一些金属绕制的线圈加载电流来产生磁场的 。 这种磁铁被广泛地应用在各大加速器实验室中 。
常温磁铁在通电后 ， 通过不同形状的极面来产生不同形式的磁场 ， 比如二极磁铁的极面是一个平面 ， 四极磁铁的极面是一组完全对称的双曲面 ， 六极磁铁的极面更复杂 。
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图 常温二极铁及其截面形状 图片来源 | 近代物理所；A. Wolski ， 2009
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图 常温四极铁及其截面形状 图片来源 | 近代物理所；A. Wolski ， 2009
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图 常温六极铁及其截面形状 图片来源 | J Tanabe ， 2005；A. Wolski ， 2009
超导磁铁
随着超导技术的发展 ， 人们不禁要问超导是否能对加速器磁铁有所贡献？答案是 ， 当然可以！
超导磁铁是利用超导材料制成的线材（铌钛、铌三锡、钇钡铜氧等）通电励磁 ， 产生加速粒子所需的约束磁场的磁铁 。
由于超导线在合适的低温环境下能够没有损耗地传输大电流（和普通手机充电线粗细一般的超导线 ， 能够传输好几千安培的电流 ， 是普通导线载流能力的上千倍） ， 因此超导磁体能够产生很高的磁场 ， 一般被用在高磁场需求中 ， 目前也将逐步应用到各类加速器装置中 。
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图 HL-LHC使用的超导二极铁 图片来源 | CERN通常在加速器中 ， 在粒子种类和加速能量确定的情况下 ， 磁场越大 ， 曲率半径就会越小 。 因此在同等磁偏转性能要求时 ， 使用超导磁铁就可以大大减小环形加速器的周长 。 而传输同样大小的电流 ， 超导线材便宜很多 ， 因此超导磁体主要依靠超导线圈产生大部分磁场 ， 常用到以下形式的线圈截面来产生各种类型的强磁场 。
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图 超导二极铁 图片来源 | R. Beth,1968
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图 超导四极铁 图片来源 | R. Beth,1968
永磁铁
永磁铁可以是天然产物 ， 也可以由人工制造（如钕铁硼磁铁) 。 它的最大特点便是环保绿色 ， 充磁一次后便可长期使用 ， 也无须电源和水冷系统 ， 可以在特殊环境下运行 。
目前研制中的永磁磁体可分为两大类：一类是混合型或叫线圈代替型 ， 在这类磁体里,利用永磁材料代替普通电磁铁的励磁绕组, 提供所需要的磁势 。 另一种是完全采用永磁材料制成,沿方位角按一定规律调变永磁材料的磁化方向或永磁材料的厚度比,以形成所需要的多极磁场 。
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图 8体永磁二极磁铁示意图和4T永磁铁 图片来源 | 作者提供；M. Kumada ， 2001
加速器中的磁铁是如何工作的？
简单的说 ， 磁铁的工作原理主要就是洛伦兹力的作用 。
加速器磁铁家族庞大 ， 类型丰富 ， 按功能分类 ， 有二极铁、四极铁、六极铁 ， 切割磁铁、bump铁、校正铁、扫描铁、波荡器等 。 我们在这里介绍一下二极磁铁和四极磁铁的基本原理 。
二极磁铁通过产生的磁场对带电粒子产生作用（见公式）:
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B就是二极磁铁的磁场强度 ， 左边表示洛伦兹力 ， 右边表示向心力 。
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图 二极铁原理示意 图片来源 | 作者提供
如上图所示 ， 向纸面穿入的粒子将会受到偏转力的作用 ， 从而改变运动方向 。 有了这个力作为向心力 ， 粒子束就可以转圈圈啦！
有了正确的方向 ， 还要考虑束流的质量 。 用粒子束打靶也像我们射击打靶一样 ， 希望每一枪都在靶心的范围内 ， 但是由于粒子束在运动过程中会因为各种作用变得“散开” ， 因此我们就得想办法让它们聚在一起 ， 这时候咱们就需要四极磁铁了 。
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图 用粒子束打靶也像我们射击打靶一样 图片来源 | veer
我们可以把粒子束类比成光线（束流光学） ， 光线通过凸透镜的会聚作用可以聚焦于一点 。 而四极磁铁通过洛伦兹力将束流在水平或竖直方向进行会聚 ， 从而达到聚焦的目的 。 但是与透镜不同的是 ， 四极磁铁如果在水平方向对束流是会聚作用 ， 那么在垂直方向就是散开的效果 。
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图 四极铁原理示意 图片来源 | 作者提供
上述磁铁是我们在加速器中最常见的 。 而在加速器运行中 ， 为实现一些其它功能 ， 我们还会使用六极铁消除粒子动量偏差带来的影响 ， 八极铁消除朗道阻尼；同时 ， 在加速器束流注入引出时还要使用bump铁和kicker铁 ， 在一些试验终端例如重离子治癌装置中还要使用扫描铁等特殊磁铁 。
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图 切割磁铁与bump磁铁 图片来源 | 近代物理所
我们特别介绍一下在粒子束从束线注入到储存环（具有储存粒子束能量的环形加速器 ， 例如兰州重离子加速器冷却储存环）的过程中 ， bump磁铁和切割磁铁是如何工作的 。
在注入过程中 ， 循环束流（即在储存环中来回转圈的束流）会被bump磁铁“撞”出一个凸轨 ， 这时预置接应的注入束流会在切割铁的帮助下与循环束流会师 ， 夫妻双双把家还 ， 最终一起被“撞”回轨道 。
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图 切割磁铁和bump铁在束流注入时的工作过程示意 图片来源 | 作者制作 ， 素材来自Jack Tanabe ， 2005
未来的加速器磁铁什么样？
如果我们能穿越到未来 ， 那么 ， 我们肯定会看到未来的加速器磁铁“更高、更快、更强” 。
更高指的是场强更高 。 为了满足加速粒子更高能量的需求 ， 我们必须努力提高磁场强度 。 目前高场磁铁能够达到20T ， 对于加速器来说已经是很高的场强了（目前多数加速器的场强大概在1-2T） 。
更快指的是磁场提升和降落的速率更快 。 粒子在加速器中高速转圈的过程中 ， 能够快速地将其“踢”到实验束线上是一件非常难的事情（即引出过程） ， 这需要磁场瞬间上升到一个高度 ， 并且能在“踢”完后瞬间“收腿” ， 以便不影响后续粒子 。 另外在环形加速器中 ， 科研人员也需要不断地提高磁铁的磁场上升速率以满足物理需求 ， 这里不仅需要磁铁运行稳定 ， 还需要考虑涡流产生的影响 。 这是一项非常复杂的技术 ， 需要在快速产生和退去磁场的同时 ， 最大程度地减小附加影响 。
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图 测试中的快脉冲二极铁 图片来源 | 近代物理所
更强指的是磁体抵抗电磁力的能力越强 。 磁铁在运行过程中产生的磁场力作用到线圈 ， 会使之受到约100-300t/m的应力（相当于100-300辆小型汽车在拉） 。 如果不能很好地处理这类应力 ， 会导致磁铁运行时被拉变形 ， 甚至损坏 。 因此 ， 磁铁“更强” ， 才能保证稳定运行 。
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图 线圈受力图 图片来源 | 徐庆金 ， 2020
磁铁作为加速器的躯干 ， 既支撑了加速器庞大的身躯 ， 又引导了加速器的血液（束流）循环 ， 可谓是鞠躬尽瘁！加速器磁铁系统涉及的内容非常丰富 ， 例如磁场设计、磁铁结构设计、磁场测量、低温系统设计以及机械设计等 。 希望通过我的介绍 ， 能让大家对磁铁系统有一个初步的了解 ， 也欢迎大家以后来近代物理所参观、学习 ， 亲眼看看这些大家伙！
作者：王力实 近代物理所磁铁技术室
感谢姚庆高、吴巍、冒立军、刘芳老师及磁铁技术室全体同事为本文成稿提供帮助 。
参考文献：
[1] 唐靖宇. 回旋加速器和串列静电加速器课件, 2019
[2] 桂伟燮. 荷电粒子加速器原理 [M], 1993：2
[3] R. Beth, Analytical Design of Superconducting Multipolar Magnets [M], 1968
[4] Iron Dominated Electromagnets Design, Fabrication, Assembly and Measurements [M], 2005：20-32
[5] 徐庆金. 粒子加速器中的高场超导磁体技术 ， 2020：25-27
[6] 徐建铭, 陈仁怀,刘茂三.永磁磁体的发展和它在加速器中的应用[J]. 原子能科学技术 ， 1985：752-755
[7] M. Kumada, T.Fujisawa, Y.Hirao, Development Of 4-Tesla Permanent Magnet, Proceedings of the 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago
来源：中科院近代物理研究所
编辑：tzy
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