說到磁鐵，大家也許會想到我們小時候玩過的馬蹄形磁鐵。我們可以用這種磁鐵做各種游戲，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，種類非常豐富。還有辦公和教學用的白板磁釘，從旅游景點帶回的冰箱貼……

這些小磁鐵看起來不起眼，可幾乎每個人的生活里都會用到。它們都有一個共同的特點，是永磁鐵。

今天，我們要向大家介紹的是磁鐵家族里的大家伙，它們一般都重達好幾噸以上，幾百噸的也不少見。作為加速器的重要元件之一，它們中不僅有永磁鐵，還有各種各樣的電磁鐵。它們常年在實驗室里低調地工作，與大家見面的機會并不多。下面我們就一起來認識一下這些重量級的大家伙們吧！ 科學家通過“拆裝”探索微觀世界

作為好奇的“熊孩子”，我們總是想把陌生的東西拆開看看。收音機、鬧鐘、隨身聽這些小物件，在我們童年拆東西的“黑歷史”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，進而加深對整個世界的認識。只不過他們拆的是更“小”的東西，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27km，曾經成功幫助科學家找到了傳說中的上帝粒子——Higgs粒子，是目前世界上最大的加速器裝置。而在中國，當前也有好幾臺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、上海光源以及蘭州重離子加速器。

加速器是一個非常復雜的系統，是由很多復雜的元件組成的。看看上面那張圖，那些從頭至尾整齊排列的黃黃藍藍的東西是什么？

它們就是加速器的“軀干”——磁鐵。

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并儲存能量（加速），同時也需要沿著某個軌跡去打靶。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，需要磁鐵作為導游來引導它們。因此，磁鐵在加速器中相當重要！

那么，究竟什么樣的磁鐵，才能當此重任呢？

上世紀30年代，歐內斯特·勞倫斯（Ernest Orlando Lawrence）在美國建成了世界上第一臺回旋加速器。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愿行進。

1950年，希臘工程師Christofilos寫出了一份未發表的名為“磁共振加速器中離子和電子的聚焦系統”的報告，闡述了強聚焦原理。兩年后，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種形式，其中電磁鐵中又有常溫和超導兩種。

常溫磁鐵

顧名思義，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制的線圈加載電流來產生磁場的。這種磁鐵被廣泛地應用在各大加速器實驗室中。

常溫磁鐵在通電后，通過不同形狀的極面來產生不同形式的磁場，比如二極磁鐵的極面是一個平面，四極磁鐵的極面是一組完全對稱的雙曲面，六極磁鐵的極面更復雜。

超導磁鐵

隨著超導技術的發展，人們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制成的線材（鈮鈦、鈮三錫、釔鋇銅氧等）通電勵磁，產生加速粒子所需的約束磁場的磁鐵。 由于超導線在合適的低溫環境下能夠沒有損耗地傳輸大電流（和普通手機充電線粗細一般的超導線，能夠傳輸好幾千安培的電流，是普通導線載流能力的上千倍），因此超導磁體能夠產生很高的磁場，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。

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。而傳輸同樣大小的電流，超導線材便宜很多，因此超導磁體主要依靠超導線圈產生大部分磁場，常用到以下形式的線圈截面來產生各種類型的強磁場。

圖 超導二極鐵 圖片來源 | R. Beth,1968

永磁鐵

永磁鐵可以是天然產物，也可以由人工制造（如釹鐵硼磁鐵)。它的最大特點便是環保綠色，充磁一次后便可長期使用，也無須電源和水冷系統，可以在特殊環境下運行。

目前研制中的永磁磁體可分為兩大類：一類是混合型或叫線圈代替型，在這類磁體里,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制成,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。

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茲力的作用。

加速器磁鐵家族龐大，類型豐富，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。我們在這里介紹一下二極磁鐵和四極磁鐵的基本原理。

二極磁鐵通過產生的磁場對帶電粒子產生作用（見公式）:

B就是二極磁鐵的磁場強度，左邊表示洛倫茲力，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，向紙面穿入的粒子將會受到偏轉力的作用，從而改變運動方向。有了這個力作為向心力，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射擊打靶一樣，希望每一槍都在靶心的范圍內，但是由于粒子束在運動過程中會因為各種作用變得“散開”，因此我們就得想辦法讓它們聚在一起，這時候咱們就需要四極磁鐵了。

我們可以把粒子束類比成光線（束流光學），光線通過凸透鏡的會聚作用可以聚焦于一點。而四極磁鐵通過洛倫茲力將束流在水平或豎直方向進行會聚，從而達到聚焦的目的。但是與透鏡不同的是，四極磁鐵如果在水平方向對束流是會聚作用，那么在垂直方向就是散開的效果。

上述磁鐵是我們在加速器中最常見的。而在加速器運行中，為實現一些其它功能，我們還會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。

我們特別介紹一下在粒子束從束線注入到儲存環（具有儲存粒子束能量的環形加速器，例如蘭州重離子加速器冷卻儲存環）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（即在儲存環中來回轉圈的束流）會被bump磁鐵“撞”出一個凸軌，這時預置接應的注入束流會在切割鐵的幫助下與循環束流會師，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 | 作者制作，素材來自Jack Tanabe，2005

未來的加速器磁鐵什么樣？ 如果我們能穿越到未來，那么，我們肯定會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。為了滿足加速粒子更高能量的需求，我們必須努力提高磁場強度。目前高場磁鐵能夠達到20T，對于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高度，并且能在“踢”完后瞬間“收腿”，以便不影響后續粒子。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，這里不僅需要磁鐵運行穩定，還需要考慮渦流產生的影響。這是一項非常復雜的技術，需要在快速產生和退去磁場的同時，最大程度地減小附加影響。

更強指的是磁體抵抗電磁力的能力越強。磁鐵在運行過程中產生的磁場力作用到線圈，會使之受到約100-300t/m的應力（相當于100-300輛小型汽車在拉）。如果不能很好地處理這類應力，會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。

磁鐵作為加速器的軀干，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！加速器磁鐵系統涉及的內容非常豐富，例如磁場設計、磁鐵結構設計、磁場測量、低溫系統設計以及機械設計等。希望通過我的介紹，能讓大家對磁鐵系統有一個初步的了解，也歡迎大家以后來近代物理所參觀、學習，親眼看看這些大家伙！

原文標題：磁鐵玩具玩遍了？這個大家伙也許你沒見過

文章出處：【微信公眾號：中科院半導體所】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。

責任編輯：haq