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撰文 | 王力实(近代物理所磁铁技术室)
 
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。
图:马蹄形磁铁丨来源: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”探索微观视界
 
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。
图:大型强子对撞机示意图丨来源:CERN
图:兰州重离子加速器装置模型丨来源:近代物理所
 
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。
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 来源 | LBNL
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丨来源:LBNL
 
1950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。
图:常温二极铁及其截面形状丨来源:近代物理所;A. Wolski,2009
图:常温四极铁及其截面形状丨来源:近代物理所;A. Wolski,2009
图:常温六极铁及其截面形状丨来源: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。
图:HL-LHC使用的超导二极铁丨来源: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。
图:超导二极铁丨来源:R. Beth,1968
图:超导四极铁丨来源: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。
图:8体永磁二极磁铁示意图和4T永磁铁丨来源: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):
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。
图:二极铁原理示意丨来源: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。
图:用粒子束打靶也像我们射击打靶一样丨来源: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。
图:四极铁原理示意丨来源: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。
图:切割磁铁与bump磁铁丨来源: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。
图:切割磁铁和bump铁在束流注入时的工作过程示意丨来源: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。
图 测试中的快脉冲二极铁 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。
图:线圈受力图丨来源: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!
 
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
 
本文经授权转载自微信公众号“中科院近代物理所”。
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