說到磁鐵，大家也許會想到我們小時(shí)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(xiàn)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(xué)用的白板磁釘，從旅游景點(diǎn)帶回的冰箱貼……

這些小磁鐵看起來不起眼，可幾乎每個(gè)人的生活里都會用到。它們都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，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(dá)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(shí)驗(yàn)室里低調(diào)地工作，與大家見面的機(jī)會并不多。下面我們就一起來認(rèn)識一下這些重量級的大家伙們吧！ 科學(xué)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(jī)、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(xué)家就像好奇的小朋友，也在通過不斷地“拆裝”滿足好奇心，進(jìn)而加深對整個(gè)世界的認(rèn)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(xué)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(qiáng)子對撞機(jī)LHC（Large Hadron Collider），其周長為27km，曾經(jīng)成功幫助科學(xué)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(dāng)前也有好幾臺大型加速器正在運(yùn)行，比如北京正負(fù)電子對撞機(jī)、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(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，是由很多復(fù)雜的元件組成的?？纯瓷厦婺菑垐D，那些從頭至尾整齊排列的黃黃藍(lán)藍(lán)的東西是什么？

它們就是加速器的“軀干”——磁鐵。

磁鐵，束流的向?qū)?

加速器中的帶電粒子，需要按照一定的軌道運(yùn)動并儲存能量（加速），同時(shí)也需要沿著某個(gè)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(huán)境的，需要磁鐵作為導(dǎo)游來引導(dǎo)它們。因此，磁鐵在加速器中相當(dāng)重要！

那么，究竟什么樣的磁鐵，才能當(dāng)此重任呢？

上世紀(jì)30年代，歐內(nèi)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(chǎn)生垂直磁場，使粒子在進(jìn)入磁場區(qū)域中能夠按照科學(xué)家的意愿行進(jìn)。

1950年，希臘工程師Christofilos寫出了一份未發(fā)表的名為“磁共振加速器中離子和電子的聚焦系統(tǒng)”的報(bào)告，闡述了強(qiáng)聚焦原理。兩年后，美國布魯克海文實(shí)驗(yàn)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(shù)有了革命性的發(fā)展，誕生了能夠累積更高能量的環(huán)形加速器。同時(shí)，磁鐵的模樣也發(fā)生了很大的變化。

目前，環(huán)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(dǎo)兩種。

常溫磁鐵

顧名思義，常溫磁鐵就是在常溫下運(yùn)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(chǎn)生磁場的。這種磁鐵被廣泛地應(yīng)用在各大加速器實(shí)驗(yàn)室中。

常溫磁鐵在通電后，通過不同形狀的極面來產(chǎn)生不同形式的磁場，比如二極磁鐵的極面是一個(gè)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(fù)雜。

超導(dǎo)磁鐵

隨著超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，人們不禁要問超導(dǎo)是否能對加速器磁鐵有所貢獻(xiàn)？答案是，當(dāng)然可以！ 超導(dǎo)磁鐵是利用超導(dǎo)材料制成的線材（鈮鈦、鈮三錫、釔鋇銅氧等）通電勵磁，產(chǎn)生加速粒子所需的約束磁場的磁鐵。 由于超導(dǎo)線在合適的低溫環(huán)境下能夠沒有損耗地傳輸大電流（和普通手機(jī)充電線粗細(xì)一般的超導(dǎo)線，能夠傳輸好幾千安培的電流，是普通導(dǎo)線載流能力的上千倍），因此超導(dǎo)磁體能夠產(chǎn)生很高的磁場，一般被用在高磁場需求中，目前也將逐步應(yīng)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(zhuǎn)性能要求時(shí)，使用超導(dǎo)磁鐵就可以大大減小環(huán)形加速器的周長。而傳輸同樣大小的電流，超導(dǎo)線材便宜很多，因此超導(dǎo)磁體主要依靠超導(dǎo)線圈產(chǎn)生大部分磁場，常用到以下形式的線圈截面來產(chǎn)生各種類型的強(qiáng)磁場。

圖 超導(dǎo)二極鐵 圖片來源 | R. Beth,1968

永磁鐵

永磁鐵可以是天然產(chǎn)物，也可以由人工制造（如釹鐵硼磁鐵)。它的最大特點(diǎn)便是環(huán)保綠色，充磁一次后便可長期使用，也無須電源和水冷系統(tǒng)，可以在特殊環(huán)境下運(yùn)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(guī)律調(diào)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(chǎn)生的磁場對帶電粒子產(chǎn)生作用（見公式）:

B就是二極磁鐵的磁場強(qiáng)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(zhuǎn)力的作用，從而改變運(yùn)動方向。有了這個(gè)力作為向心力，粒子束就可以轉(zhuǎn)圈圈啦！

有了正確的方向，還要考慮束流的質(zhì)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(nèi)，但是由于粒子束在運(yùn)動過程中會因?yàn)楦鞣N作用變得“散開”，因此我們就得想辦法讓它們聚在一起，這時(shí)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(xué)），光線通過凸透鏡的會聚作用可以聚焦于一點(diǎn)。而四極磁鐵通過洛倫茲力將束流在水平或豎直方向進(jìn)行會聚，從而達(dá)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?qū)κ魇菚圩饔?，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(yùn)行中，為實(shí)現(xiàn)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(shí)，在加速器束流注入引出時(shí)還要使用bump鐵和kicker鐵，在一些試驗(yàn)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(huán)（具有儲存粒子束能量的環(huán)形加速器，例如蘭州重離子加速器冷卻儲存環(huán)）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(huán)束流（即在儲存環(huán)中來回轉(zhuǎn)圈的束流）會被bump磁鐵“撞”出一個(gè)凸軌，這時(shí)預(yù)置接應(yīng)的注入束流會在切割鐵的幫助下與循環(huán)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(shí)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(qiáng)”。更高指的是場強(qiáng)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(qiáng)度。目前高場磁鐵能夠達(dá)到20T，對于加速器來說已經(jīng)是很高的場強(qiáng)了（目前多數(shù)加速器的場強(qiáng)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(zhuǎn)圈的過程中，能夠快速地將其“踢”到實(shí)驗(yàn)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(gè)高度，并且能在“踢”完后瞬間“收腿”，以便不影響后續(xù)粒子。另外在環(huán)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(yùn)行穩(wěn)定，還需要考慮渦流產(chǎn)生的影響。這是一項(xiàng)非常復(fù)雜的技術(shù)，需要在快速產(chǎn)生和退去磁場的同時(shí)，最大程度地減小附加影響。

更強(qiáng)指的是磁體抵抗電磁力的能力越強(qiáng)。磁鐵在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的磁場力作用到線圈，會使之受到約100-300t/m的應(yīng)力（相當(dāng)于100-300輛小型汽車在拉）。如果不能很好地處理這類應(yīng)力，會導(dǎo)致磁鐵運(yùn)行時(shí)被拉變形，甚至損壞。因此，磁鐵“更強(qiáng)”，才能保證穩(wěn)定運(yùn)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(dǎo)了加速器的血液（束流）循環(huán)，可謂是鞠躬盡瘁！加速器磁鐵系統(tǒng)涉及的內(nèi)容非常豐富，例如磁場設(shè)計(jì)、磁鐵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、磁場測量、低溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及機(jī)械設(shè)計(jì)等。希望通過我的介紹，能讓大家對磁鐵系統(tǒng)有一個(gè)初步的了解，也歡迎大家以后來近代物理所參觀、學(xué)習(xí)，親眼看看這些大家伙！

原文標(biāo)題：磁鐵玩具玩遍了？這個(gè)大家伙也許你沒見過

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