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说到磁铁，众人兴许会料到咱们小光阴玩过的马蹄形磁铁。咱们能够用这类磁铁做各式嬉戏，比方隔空移物。而如今的小诤友，几乎不要太美满，磁力片、磁力火车、磁力垂纶玩物，品种分外充盈。再有办公和教化用的白板磁钉，从观光景点带回的冰箱贴……这些小磁铁看起来不起眼，可险些每私人的糊口里都邑用到。它们都有一个配合的特色，是永磁铁。

图：马蹄形磁铁图片根源

来日素材

本日，咱们要向众人引见的是磁铁家属里的众人伙，它们寻常都重达好几吨以上，几百吨的也不罕见。做为加快器的紧急元件之一，它们中不单有永磁铁，再有各式各式的电磁铁。它们全年在尝试室里低调地劳动，与众人谋面的机遇并未几。上面咱们就一同来懂得一下这些分量级的众人伙们吧！

科学家经过“拆装”谋求宏观寰宇

做为猎奇的“熊儿童”，咱们老是想把生疏的东西拆开看看。收音机、闹钟、随身听这些小物件，在咱们童年拆东西的“黑史书”中无一避免。

科学家就像猎奇的小诤友，也在经过不停地“拆装”满意猎奇心，从而加深对所有寰宇的懂得。只不过他们拆的是更“小”的东西，比方宏观粒子！都说“工欲善其事，必先利其器”，加快器便是协助科学家翻开宏观寰宇之门，谋求原子核以至更宏观粒子玄妙的器材。欧洲核子研讨核心的大型强子对撞机LHC（LargeHadronCollider），其周长为27km，曾经胜利协助科学家找到了传闻中的天主粒子——Higgs粒子，是方今寰宇上最大的加快器安设。而在华夏，暂时也有好几台大型加快器正在运转，比方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快器。图大型强子对撞机示妄念图片根源

CERN

图兰州重离子加快器安设模子图片根源

近代物理所

加快器是一个分外繁杂的系统，是由不少繁杂的元件构成的。看看上头那张图，那些重新至尾划一罗列的黄黄蓝蓝的东西是甚么？它们便是加快器的“躯干”——磁铁。磁铁，束流的引导加快器中的带电粒子，需求遵照必定的轨道行动并积聚能量（加快），同时也需求顺着某个轨迹去打靶。带电粒子（各式粒子束，也叫束流）没有眼睛，也没有耳朵，是无奈感知范围处境的，需求磁铁做为引导来领导它们。因而，磁铁在加快器中相当紧急！那末，到底甚么样的磁铁，本领当此重担呢？上世纪30年月，欧内斯特·劳伦斯（ErnestOrlandoLawrence）在美国建成了寰宇上第一台盘旋加快器。盘旋加快器的磁铁便是在圆柱形极头上环绕线圈，使之造成笔直磁场，使粒子在加入磁场地区中后能够遵照科学家的志愿前进。

图年劳伦斯和高足利文斯顿研发的一种微型盘旋加快器（直径约10cm），这是寰宇上最小的加快器图片根源

LBNL

图劳伦斯（右）和他的高足利文斯顿站在由他们策画的盘旋加快器旁图片根源

LBNL

年，希腊工程师Christofilos写出了一份未颁发的名为“磁共振加快器中离子和电子的聚焦系统”的汇报，阐明了强聚焦旨趣。两年后，美国布鲁克海文尝试室的E.D.Courant和H.S.Snyder等人提议交变梯度同步加快器旨趣。这使得加快器物理及技艺有了革新性的进展，降生了能够积累更高能量的环形加快器。同时，磁铁的相貌也产生了很大的变动。方今，环形加快器所哄骗的磁铁紧要有电磁和永磁两种样子，个中电磁铁中又有常仁慈超导两种。常温磁铁顾名思义，常温磁铁便是在常温下运转的磁铁。它是经过诸如铜铝等一些金属绕制的线圈加载电流来造成磁场的。这类磁铁被普及地运用在各大加快器尝试室中。常温磁铁在通电后，经过不同形态的极面来造成不相同子的磁场，比方二极磁铁的极面是一个平面，四极磁铁的极面是一组全部对称的双曲面，六极磁铁的极面更繁杂。

图常温二极铁及其截面形态图片根源

近代物理所；A.Wolski，

图常温四极铁及其截面形态图片根源

近代物理所；A.Wolski，

图常温六极铁及其截面形态图片根源

JTanabe，；A.Wolski，

超导磁铁

跟着超导技艺的进展，人们不由要问超导能否能对加快器磁铁有所进献？谜底是，自然能够！

超导磁铁是哄骗超导材料制成的线材（铌钛、铌三锡、钇钡铜氧等）通电励磁，造成加快粒子所需的束缚磁场的磁铁。由于超导线在适宜的低温处境下能够没有花费地传输大电流（和常常手机充电线粗细寻常的超导线，能够传输好几千安培的电流，是常常导线载流才略的上千倍），因而超导磁体能够造成很高的磁场，寻常被用在高磁场需求中，方今也将渐渐运用到各式加快器安设中。图HL-LHC哄骗的超导二极铁图片根源

CERN常常在加快器中，在粒子品种和加快能量断定的境况下，磁场越大，曲率半径就会越小。因而在等同磁偏转功用请求时，哄骗超导磁铁就能够大大减小环形加快器的周长。而传输相同巨细的电流，超导线材低廉不少，因而超导磁体紧要依托超导线圈造成大部份磁场，罕用到下列样子的线圈截面来造成各式表率的强磁场。图超导二极铁图片根源

R.Beth,

图超导四极铁图片根源

R.Beth,

永磁铁永磁铁可于是自然产品，也能够由人为创造（如钕铁硼磁铁)。它的最大特色即是环保绿色，充磁一次后便可持久哄骗，也毋庸电源和水冷系统，能够在非常处境下运转。方今研发中的永磁磁体可分为两大类：一类是搀和型或叫线圈替代型，在这类磁体里，哄骗永磁材料替代常常电磁铁的励磁绕组,供给所需求的磁势。另一种是全部采纳永磁材料制成，沿方位角按必定例律调变永磁材料的磁化方位或永磁材料的厚度比,以造成所需求的多极磁场。

图8体永磁二极磁铁示妄念和4T永磁铁图片根源

做家供给；M.Kumada，

加快器中的磁铁是怎样劳动的？简明的说，磁铁的劳动旨趣紧要便是洛伦兹力的影响。加快器磁铁家属硕大，表率充盈，按功用分类，有二极铁、四极铁、六极铁，切割磁铁、bump铁、校对铁、扫描铁、波荡器等。咱们在这边引见一下二极磁铁和四极磁铁的基根源理。

二极磁铁经过造成的磁场对带电粒子造成影响（见公式）:

B便是二极磁铁的磁场强度，左侧表示洛伦兹力，右侧表示向心力。

图二极铁旨趣示妄念片根源

做家供给

如上图所示，向纸面穿入的粒子将会遭到偏转力的影响，从而改观行动方位。有了这个力做为向心力，粒子束就能够转圈圈啦！有了确实的方位，还要斟酌束流的品质。用粒子束打靶也像咱们射击打靶相同，期望每一枪都在靶心的规模内，然则由于粒子束在行动流程中会由于各式影响变得“分散”，因而咱们就得想举措让它们聚在一同，这光阴咱们就需求四极磁铁了。图用粒子束打靶也像咱们射击打靶相同图片根源

veer咱们能够把粒子束类比成光线（束流光学），光线经过凸透镜的汇聚影响能够聚焦于一点。而四极磁铁经过洛伦兹力将束流在水准或竖直方位举办汇聚，从而抵达聚焦的目标。然则与透镜不同的是，四极磁铁假若在水准方位对束流是汇聚影响，那末在笔直方位便是分散的结果。

图四极铁旨趣示妄念片根源

做家供给

上述磁铁是咱们在加快器中最罕见的。而在加快器运转中，为实行一些此外功用，咱们还会哄骗六极铁消除粒子动量误差带来的影响，八极铁消除朗道阻尼；同时，在加快器束流注入引出时还要哄骗bump铁和kicker铁，在一些实验末端比方重离子治癌安设中还要哄骗扫描铁等非常磁铁。

图切割磁铁与bump磁铁图片根源

近代物理所

咱们分外引见一下在粒子束从束线注入到积聚环（具备积聚粒子束能量的环形加快器，比方兰州重离子加快器冷却积聚环）的流程中，bump磁铁和切割磁铁是怎样劳动的。在注入流程中，轮回束流（即在积聚环中来反转圈的束流）会被bump磁铁“撞”出一个凸轨，这时预置策应的注入束流会在切割铁的协助下与轮回束流会师，伉俪双双把家还，最后一同被“撞”回轨道。图切割磁铁和bump铁在束流注入时的劳动流程示妄念片根源

做家制做，素材来自JackTanabe，来日的加快器磁铁甚么样？

假若咱们能穿梭到来日，那末，咱们必定会看到来日的加快器磁铁“更高、更快、更强”。

更高指的是场强更高。为了满意加快粒子更高能量的需求，咱们必需勉力升高磁场强度。方今高场磁铁能够抵达20T，关于加快器来讲曾经是很高的场强了（方今普遍加快器的场强兴许在1-2T）。

更快指的是磁场晋升和起飞的速度更快。粒子在加快器中高速转圈的流程中，能够赶快地将其“踢”到尝试束线上是一件分外难的工做（即引出流程），这需求磁场霎时高涨到一个高度，而且能在“踢”完后霎时“收腿”，以便不影清脆续粒子。此外表环形加快器中，科研人员也需求不停地升高磁铁的磁场高涨速度以满意物理需求，这边不单需求磁铁运转不乱，还需求斟酌涡流造成的影响。这是一项分外繁杂的技艺，需求在赶快造成和退去磁场的同时，最大水准地减小附加影响。

图测试中的快脉冲二极铁图片根源

近代物理所

更强指的是磁体抵御电磁力的才略越强。磁铁在运转流程中造成的磁场力影响到线圈，会使之遭到约-t/m的应力（相当于-辆袖珍汽车在拉）。假若不能很好地解决这类应力，会致使磁铁运转时被拉变形，以至毁坏。因而，磁铁“更强”，本领保证不乱运转。

图线圈受力争图片根源

徐庆金，

磁铁做为加快器的躯干，既支持了加快器硕大的身躯，又领导了加快器的血液（束流）轮回，堪称是弯腰尽瘁！加快器磁铁系统波及的实质分外充盈，比方磁场策画、磁铁组织策画、磁场衡量、低温系统策画以及板滞策画等。期望经过我的引见，能让众人对磁铁系统有一个开始的懂得！做家：王力实近代物理所磁铁技艺室感激姚庆高、吴巍、冒立军、刘芳教师及磁铁技艺室整个共事为本文成稿供给协助。

参考文件：

[1]唐靖宇.盘旋加快器和串列静电加快器课件,

[2]桂伟燮.荷电粒子加快器旨趣[M],：2

[3]R.Beth,AnalyticalDesignofSuperconductingMultipolarMagnets[M],

[4]IronDominatedElectromagnetsDesign,Fabrication,AssemblyandMeasurements[M],：20-32

[5]徐庆金.粒子加快器中的高场超导磁体技艺，：25-27

[6]徐建铭,陈仁怀,刘茂三.永磁磁体的进展和它在加快器中的运用[J].原子能科学技艺，：-

[7]M.Kumada,T.Fujisawa,Y.Hirao,DevelopmentOf4-TeslaPermanentMagnet,ProceedingsoftheParticleAcceleratorConference,Chicago

根源：中科院近代物理研讨所

编纂：aloysius

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