磁铁玩具玩遍了？这个大家伙也许你没见过
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图片来源：CERN
图：兰州重离子加速器装置模型丨图片来源：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 图片来源 | 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图片来源：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图片来源：近代物理所；A. Wolski，2009
图：常温四极铁及其截面形状丨图片来源：近代物理所；A. Wolski，2009
图：常温六极铁及其截面形状丨图片来源：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。
图：HL-LHC使用的超导二极铁丨图片来源：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。
图：超导二极铁丨图片来源：R. Beth,1968
图：超导四极铁丨图片来源：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。
图：8体永磁二极磁铁示意图和4T永磁铁丨图片来源：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）:
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。
图：用粒子束打靶也像我们射击打靶一样
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。
图：切割磁铁与bump磁铁丨图片来源：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。
图：切割磁铁和bump铁在束流注入时的工作过程示意丨图片来源：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。
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。
图：线圈受力图丨图片来源：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！
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
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[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
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