說到磁鐵，大家也許會(hui) 想到我們(men) 小時候玩過的馬蹄形磁鐵。我們(men) 可以用這種磁鐵做各種遊戲，比如隔空移物。而現在的小朋友，簡直不要太幸福，磁力片、磁力火車、磁力釣魚玩具，種類非常豐(feng) 富。還有辦公和教學用的白板磁釘，從(cong) 旅遊景點帶回的冰箱貼……

這些小磁鐵看起來不起眼，可幾乎每個(ge) 人的生活裏都會(hui) 用到。它們(men) 都有一個(ge) 共同的特點，是永磁鐵。

《大頭兒(er) 子小頭爸爸》是很多人的童年回憶。不過，頭小的爸爸能生出頭大的兒(er) 子嗎？頭大的人更聰明嗎？究竟是什麽(me) 決(jue) 定了我們(men) 大腦的尺寸呢？

圖：馬蹄形磁鐵 圖片來源 | 未來素材

今天，我們(men) 要向大家介紹的是磁鐵家族裏的大家夥(huo) ，它們(men) 一般都重達好幾噸以上，幾百噸的也不少見。作為(wei) 加速器的重要元件之一，它們(men) 中不僅(jin) 有永磁鐵，還有各種各樣的電磁鐵。它們(men) 常年在實驗室裏低調地工作，與(yu) 大家見麵的機會(hui) 並不多。下麵我們(men) 就一起來認識一下這些重量級的大家夥(huo) 們(men) 吧！

Part.1

科學家通過“拆裝”探索微觀世界作為(wei) 好奇的“熊孩子”，我們(men) 總是想把陌生的東(dong) 西拆開看看。收音機、鬧鍾、隨身聽這些小物件，在我們(men) 童年拆東(dong) 西的“黑曆史”中無一幸免。

科學家就像好奇的小朋友，也在通過不斷地“拆裝”滿足好奇心，進而加深對整個(ge) 世界的認識。隻不過他們(men) 拆的是更“小”的東(dong) 西，比如微觀粒子！都說“工欲善其事，必先利其器”，加速器就是幫助科學家打開微觀世界之門，探索原子核乃至更微觀粒子奧秘的工具。

歐洲核子研究中心的大型強子對撞機LHC（Large Hadron Collider），其周長為(wei) 27km，曾經成功幫助科學家找到了傳(chuan) 說中的上帝粒子——Higgs粒子，是目前世界上最大的加速器裝置。而在中國，當前也有好幾台大型加速器正在運行，比如北京正負電子對撞機、合肥同步輻射光源、上海光源以及蘭(lan) 州重離子加速器。

圖 大型強子對撞機示意圖 圖片來源 | CERN

圖 蘭(lan) 州重離子加速器裝置模型 圖片來源 | 近代物理所

加速器是一個(ge) 非常複雜的係統，是由很多複雜的元件組成的。看看上麵那張圖，那些從(cong) 頭至尾整齊排列的黃黃藍藍的東(dong) 西是什麽(me) ？

它們(men) 就是加速器的“軀幹”——磁鐵。

Part.2

磁鐵，束流的向導加速器中的帶電粒子，需要按照一定的軌道運動並儲(chu) 存能量（加速），同時也需要沿著某個(ge) 軌跡去打靶。帶電粒子（各種粒子束，也叫束流）沒有眼睛，也沒有耳朵，是無法感知周圍環境的，需要磁鐵作為(wei) 導遊來引導它們(men) 。因此，磁鐵在加速器中相當重要！

那麽(me) ，究竟什麽(me) 樣的磁鐵，才能當此重任呢？
上世紀30年代，歐內(nei) 斯特·勞倫(lun) 斯（Ernest Orlando Lawrence）在美國建成了世界上第一台回旋加速器。回旋加速器的磁鐵就是在圓柱形極頭上纏繞線圈，使之產(chan) 生垂直磁場，使粒子在進入磁場區域中能夠按照科學家的意願行進。

圖 1931年勞倫(lun) 斯和學生利文斯頓研製的一種微型回旋加速器（直徑約10cm），這是世界上最小的加速器 圖片來源 | LBNL

圖 勞倫(lun) 斯（右）和他的學生利文斯頓站在由他們(men) 設計的回旋加速器旁 圖片來源 | LBNL

1950年，希臘工程師Christofilos寫(xie) 出了一份未發表的名為(wei) “磁共振加速器中離子和電子的聚焦係統”的報告，闡述了強聚焦原理。兩(liang) 年後，美國布魯克海文實驗室的E. D. Courant和H.S.Snyder等人提出交變梯度同步加速器原理。這使得加速器物理及技術有了革命性的發展，誕生了能夠累積更高能量的環形加速器。同時，磁鐵的模樣也發生了很大的變化。

目前，環形加速器所使用的磁鐵主要有電磁和永磁兩(liang) 種形式，其中電磁鐵中又有常溫和超導兩(liang) 種。
常溫磁鐵

顧名思義(yi) ，常溫磁鐵就是在常溫下運行的磁鐵。它是通過諸如銅鋁等一些金屬繞製的線圈加載電流來產(chan) 生磁場的。這種磁鐵被廣泛地應用在各大加速器實驗室中。

常溫磁鐵在通電後，通過不同形狀的極麵來產(chan) 生不同形式的磁場，比如二極磁鐵的極麵是一個(ge) 平麵，四極磁鐵的極麵是一組完全對稱的雙曲麵，六極磁鐵的極麵更複雜。
圖 常溫二極鐵及其截麵形狀 圖片來源 | 近代物理所；A. Wolski，2009

圖 常溫四極鐵及其截麵形狀 圖片來源 | 近代物理所；A. Wolski，2009

圖 常溫六極鐵及其截麵形狀 圖片來源 | J Tanabe，2005；A. Wolski，2009

超導磁鐵

隨著超導技術的發展，人們(men) 不禁要問超導是否能對加速器磁鐵有所貢獻？答案是，當然可以！

超導磁鐵是利用超導材料製成的線材（铌鈦、铌三錫、釔鋇銅氧等）通電勵磁，產(chan) 生加速粒子所需的約束磁場的磁鐵。
由於(yu) 超導線在合適的低溫環境下能夠沒有損耗地傳(chuan) 輸大電流（和普通手機充電線粗細一般的超導線，能夠傳(chuan) 輸好幾千安培的電流，是普通導線載流能力的上千倍），因此超導磁體(ti) 能夠產(chan) 生很高的磁場，一般被用在高磁場需求中，目前也將逐步應用到各類加速器裝置中。
圖 HL-LHC使用的超導二極鐵 圖片來源 | CERN

通常在加速器中，在粒子種類和加速能量確定的情況下，磁場越大，曲率半徑就會(hui) 越小。因此在同等磁偏轉性能要求時，使用超導磁鐵就可以大大減小環形加速器的周長。而傳(chuan) 輸同樣大小的電流，超導線材便宜很多，因此超導磁體(ti) 主要依靠超導線圈產(chan) 生大部分磁場，常用到以下形式的線圈截麵來產(chan) 生各種類型的強磁場。

圖 超導二極鐵 圖片來源 | R. Beth,1968

圖 超導四極鐵 圖片來源 | R. Beth,1968

永磁鐵

永磁鐵可以是天然產(chan) 物，也可以由人工製造（如釹鐵硼磁鐵)。它的最大特點便是環保綠色，充磁一次後便可長期使用，也無須電源和水冷係統，可以在特殊環境下運行。

目前研製中的永磁磁體(ti) 可分為(wei) 兩(liang) 大類：一類是混合型或叫線圈代替型，在這類磁體(ti) 裏,利用永磁材料代替普通電磁鐵的勵磁繞組, 提供所需要的磁勢。另一種是完全采用永磁材料製成,沿方位角按一定規律調變永磁材料的磁化方向或永磁材料的厚度比,以形成所需要的多極磁場。
圖 8體(ti) 永磁二極磁鐵示意圖和4T永磁鐵 圖片來源 | 作者提供；M. Kumada，2001

Part.3

加速器中的磁鐵是如何工作的？

簡單的說，磁鐵的工作原理主要就是洛倫(lun) 茲(zi) 力的作用。

加速器磁鐵家族龐大，類型豐(feng) 富，按功能分類，有二極鐵、四極鐵、六極鐵，切割磁鐵、bump鐵、校正鐵、掃描鐵、波蕩器等。我們(men) 在這裏介紹一下二極磁鐵和四極磁鐵的基本原理。

二極磁鐵通過產(chan) 生的磁場對帶電粒子產(chan) 生作用（見公式）:

B就是二極磁鐵的磁場強度，左邊表示洛倫(lun) 茲(zi) 力，右邊表示向心力。

圖 二極鐵原理示意 圖片來源 | 作者提供

如上圖所示，向紙麵穿入的粒子將會(hui) 受到偏轉力的作用，從(cong) 而改變運動方向。有了這個(ge) 力作為(wei) 向心力，粒子束就可以轉圈圈啦！

有了正確的方向，還要考慮束流的質量。用粒子束打靶也像我們(men) 射擊打靶一樣，希望每一槍都在靶心的範圍內(nei) ，但是由於(yu) 粒子束在運動過程中會(hui) 因為(wei) 各種作用變得“散開”，因此我們(men) 就得想辦法讓它們(men) 聚在一起，這時候咱們(men) 就需要四極磁鐵了。

圖 用粒子束打靶也像我們(men) 射擊打靶一樣 圖片來源 | veer

我們(men) 可以把粒子束類比成光線（束流光學），光線通過凸透鏡的會(hui) 聚作用可以聚焦於(yu) 一點。而四極磁鐵通過洛倫(lun) 茲(zi) 力將束流在水平或豎直方向進行會(hui) 聚，從(cong) 而達到聚焦的目的。但是與(yu) 透鏡不同的是，四極磁鐵如果在水平方向對束流是會(hui) 聚作用，那麽(me) 在垂直方向就是散開的效果。

圖 四極鐵原理示意 圖片來源 | 作者提供

上述磁鐵是我們(men) 在加速器中最常見的。而在加速器運行中，為(wei) 實現一些其它功能，我們(men) 還會(hui) 使用六極鐵消除粒子動量偏差帶來的影響，八極鐵消除朗道阻尼；同時，在加速器束流注入引出時還要使用bump鐵和kicker鐵，在一些試驗終端例如重離子治癌裝置中還要使用掃描鐵等特殊磁鐵。

圖 切割磁鐵與(yu) bump磁鐵 圖片來源 | 近代物理所

我們(men) 特別介紹一下在粒子束從(cong) 束線注入到儲(chu) 存環（具有儲(chu) 存粒子束能量的環形加速器，例如蘭(lan) 州重離子加速器冷卻儲(chu) 存環）的過程中，bump磁鐵和切割磁鐵是如何工作的。

在注入過程中，循環束流（即在儲(chu) 存環中來回轉圈的束流）會(hui) 被bump磁鐵“撞”出一個(ge) 凸軌，這時預置接應的注入束流會(hui) 在切割鐵的幫助下與(yu) 循環束流會(hui) 師，夫妻雙雙把家還，最終一起被“撞”回軌道。

圖 切割磁鐵和bump鐵在束流注入時的工作過程示意 圖片來源 | 作者製作，素材來自Jack Tanabe，2005

Part.4

未來的加速器磁鐵什麽(me) 樣？如果我們(men) 能穿越到未來，那麽(me) ，我們(men) 肯定會(hui) 看到未來的加速器磁鐵“更高、更快、更強”。

更高指的是場強更高。為(wei) 了滿足加速粒子更高能量的需求，我們(men) 必須努力提高磁場強度。目前高場磁鐵能夠達到20T，對於(yu) 加速器來說已經是很高的場強了（目前多數加速器的場強大概在1-2T）。

更快指的是磁場提升和降落的速率更快。粒子在加速器中高速轉圈的過程中，能夠快速地將其“踢”到實驗束線上是一件非常難的事情（即引出過程），這需要磁場瞬間上升到一個(ge) 高度，並且能在“踢”完後瞬間“收腿”，以便不影響後續粒子。另外在環形加速器中，科研人員也需要不斷地提高磁鐵的磁場上升速率以滿足物理需求，這裏不僅(jin) 需要磁鐵運行穩定，還需要考慮渦流產(chan) 生的影響。這是一項非常複雜的技術，需要在快速產(chan) 生和退去磁場的同時，最大程度地減小附加影響。

圖 測試中的快脈衝(chong) 二極鐵 圖片來源 | 近代物理所

更強指的是磁體(ti) 抵抗電磁力的能力越強。磁鐵在運行過程中產(chan) 生的磁場力作用到線圈，會(hui) 使之受到約100-300t/m的應力（相當於(yu) 100-300輛小型汽車在拉）。如果不能很好地處理這類應力，會(hui) 導致磁鐵運行時被拉變形，甚至損壞。因此，磁鐵“更強”，才能保證穩定運行。

圖 線圈受力圖 圖片來源 | 徐慶金，2020

磁鐵作為(wei) 加速器的軀幹，既支撐了加速器龐大的身軀，又引導了加速器的血液（束流）循環，可謂是鞠躬盡瘁！加速器磁鐵係統涉及的內(nei) 容非常豐(feng) 富，例如磁場設計、磁鐵結構設計、磁場測量、低溫係統設計以及機械設計等。希望通過我的介紹，能讓大家對磁鐵係統有一個(ge) 初步的了解，也歡迎大家以後來近代物理所參觀、學習(xi) ，親(qin) 眼看看這些大家夥(huo) ！

參考文獻:

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[5] 徐慶金. 粒子加速器中的高場超導磁體(ti) 技術，2020：25-27

[6] 徐建銘, 陳仁懷,劉茂三.永磁磁體(ti) 的發展和它在加速器中的應用[J]. 原子能科學技術，1985：752-755

[7] M. Kumada, T.Fujisawa, Y.Hirao, Development Of 4-Tesla Permanent Magnet, Proceedings of the 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago

文章來源：中科院近代物理所


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