環形加速器能量的提升依賴于更高磁場的超導磁體

在高能物理實驗研究領域，粒子加速器是一個必不可少的重要裝備。數十年來，粒子加速器的規模越來越大，能量也越來越高。科學家們為什么要造如此大型的加速器?它到底能夠給我們帶來什么?

高能粒子的研究，涉及宇宙的誕生和演化、質量的起源、物質的構成、能量的交換等基礎科學問題，是人類探索未知的重要窗口。例如，通過研究高能粒子碰撞過程，就可以研究微觀相互作用的機制和物質的基本組成單元。

如何獲得高能粒子?只有兩種途徑：“靠天吃飯”和“靠人吃飯”。靠天吃飯比較省事：在地面或地球軌道上放置粒子探測裝置，等著接收來自天上的宇宙射線。但是這種方式，可研究的粒子通量很低，意味著事例的累計非常慢!而高能物理實驗研究，必須有一定數量的事例積累，達到足夠的置信度，才能做出一個較為準確的判斷。“靠天吃飯”賭運氣之外，更加高效的途徑就是“靠人吃飯”——利用人造高能粒子加速器，通過對撞來批量產生想要研究的粒子!一個常規的高能粒子對撞機可以在一秒鐘產生數百萬次甚至更多的粒子對撞，這樣就有機會很快地積累足夠多的分析事例，大大提高了高能物理研究的效率。

目前世界上最大的粒子加速器是位于瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞機LHC，周長 27 千米，位于地下 100 米左右。LHC 對撞能量可以達到14 TeV，是目前世界上人造加速器里面能達到的最高能量。LHC 最重要的一個發現就是2012年發現的Higgs玻色子，俗稱“上帝粒子”，該實驗證實了賦予粒子質量的Higgs場的存在。

圖1 LHC加速器布局示意圖(CERN Lucio Rossi 供圖)

為什么粒子加速器要追求越來越大的規模?環形粒子加速器的最高能量，與兩個參數有密切關系，其一是加速器里面偏轉粒子的磁場強度，其二是環形加速器的尺寸。想把環形加速器的粒子能量提高，就需要盡量提高這兩個參數。在沒有更強加速器磁體的情況下，提高能量的唯一辦法就是把加速器建得尺寸非常大：從幾千米、幾十千米到上百千米，甚至有人提出過繞地球赤道做一個巨型加速器。在科幻小說《三體》里，還描述了圍繞太陽的環日加速器。

顯然單純靠增大加速器的規模并不十分可行，這不僅意味著建設成本的急劇增加，還難以尋找到滿足如此大型粒子加速器的各種苛刻條件的建設場所。事實上，目前運行的最大加速器的尺寸也就幾十千米，計劃建設的加速器規模基本在 100 千米范圍內。因此，在有限的規模情況下，想要獲得更高的粒子能量，同時又要節約建設和運行成本，就必須要用到更強的加速器磁體。加速器磁體分為兩大類：傳統的電磁鐵和超導磁體。由于加速器磁體結構的特殊要求和加速環的空間限制，傳統電磁鐵加速器磁體磁場最高為2.2 T，這足以讓電子加速到GeV量級。如北京正負電子對撞機、中國散裂中子源、北京高能同步輻射光源等在粒子加速器部分都是用的傳統電磁鐵。想要獲得 TeV 甚至更高的粒子能量，就必須采用承載電流能力更強的超導磁體。例如 LHC 用到的超導磁體為 8.3 T。可以說，超導磁體的應用，迅速提高了環形加速器的能量，并且節約了巨大的成本，是新一代高能粒子實驗研究的神兵利器。

粒子加速器中的超導磁體和其他超導磁體有何不同

超導材料具有零電阻效應，在低于其臨界電流密度和上臨界場的情況下，可以在不產生熱效應情況下承載很大的電流和磁場，是建造高場磁體的理想材料。通常實驗室用的超導磁體都是螺線管結構，在一些物性測量平臺比較常見。然而，粒子加速器磁體結構要更加復雜，它們用到的超導磁體，和其他地方用的有明顯區別。

圖2 (a)螺線管線圈結構;(b)二極線圈結構

加速器超導磁體分為幾種，最常見的兩種叫做二極磁體和四極磁體。在環形加速器里面，若想讓高能粒子在環里不斷轉圈最后發生對撞，首先要不停地給它提供一個足夠大的向心力，它才能在環里轉起來，而不是直接撞到加速環內壁上。提供向心力的磁體叫二極磁體;其內部有一個與粒子束流成90 度角的強磁場，使帶電粒子在該強磁場里面穿過時受到一個指向中心的向心力。

但是，粒子束流在二極磁體加速轉圈過程中還會不斷發散，這就需要另一種磁體——四極磁體來幫忙。簡單來說，我們想要加速器中粒子對撞的事例越多越好，粒子束流的尺寸越小、密度越大就越好。兩團方向相反、近光速飛行的粒子束流，如果尺寸非常大、非常疏松的話，粒子對撞的可能性也是很低的。如果把束流尺寸壓縮到1/100或者1/1000大小，粒子致密度非常高，粒子間對撞的可能性將大大增加。所以四極磁體的作用就是把粒子束流聚焦，壓縮粒子束流的尺寸，提高對撞可能性，科學術語叫做提高加速器的對撞亮度。可以說二極磁體是粒子的“領航員”，而四極磁體則是粒子的“對焦儀”。粒子對撞機的能量和亮度的提升，在很大程度上取決于加速器磁體所能達到的強磁場的能力。

不同的粒子種類，在同樣的加速磁體下，獲得的加速能力是有很大區別的，以此分為電子加速器、質子加速器、重離子加速器等。中國科學院高能物理研究所正在運行的北京正負電子對撞機就是一臺電子加速器，粒子能量為2~5 GeV，國際上絕大部分同步輻射光源也都用的是 GeV 量級的電子加速器。如前所述，對于電子加速器來說，因為電子比較輕，質量沒那么大，它的大部分二極和四極磁體是不需要超導材料的，因為很小的磁場就可以滿足偏轉或聚焦束流的要求了，所以基于常規銅線圈的磁體就可以。但是對于對撞點附近的四極磁體來說，因為關系到加速器的對撞亮度，所有的加速器都希望亮度越高越好，所以即使電子加速器中，對撞點附近的四極磁體也會使用到超導技術，使其聚焦粒子束流的能力滿足高亮度的要求。

對于質子或者重粒子而言，它們的質量要重許多倍，想要偏轉或聚焦這些粒子，需要極高的磁場強度。如果要基于這些高能粒子的對撞開展粒子物理研究，加速器中的二極或四極磁體就需要盡可能地用到超導技術，達到的磁場強度越高越好。

超導技術推動粒子加速器性能持續升級

歐洲核子研究中心的大型強子對撞機正在進行一項重要的性能升級工程，叫做 High-LuminosityLHC(HL-LHC)，就是加速器的高亮度升級。如上節所述，對撞亮度是加速器上一個最重要的概念，亮度的指標直接反映了粒子對撞事例的多少。只有不斷提高亮度，每秒鐘產生的對撞事例越多，獲得的數據才越好。

HL-LHC 其實就是在 LHC 的基礎上，通過替換CMS 和 ATLAS 兩個對撞區附近的超導磁體等一些重要部件，使它的峰值對撞亮度提高到目前的 5 倍以上。升級以后，同樣的1年時間，新加速器得到的對撞事例數是以前 5 年的事例數總和，有望更快地發現一些重要的基礎物理問題。在這個升級項目中，中國團隊將承擔一種新型斜螺線管超導磁體的研制，安裝至ATLAS及CMS對撞區，用于質子束流的軌道校正。

圖3 (a)HL-LHC高亮度升級中各個國家所承擔超導磁體任務分布;(b)中國團隊為HL-LHC研制的新型CCT超導磁體全尺寸樣機，性能通過雙邊測試驗證

對撞機的能量和超導二極磁體場強直接成正比，亮度和超導四極磁體的梯度直接相關。雖然數十年來，粒子對撞機的性能不斷提升，但因其現有工藝水平的核心裝備存在性能上限，更高更亮的對撞機亟需超導磁體的規模化應用。由于粒子加速器超導磁體復雜的結構并承載很大的應力，其技術發展一直比較緩慢，LHC上的超導二極磁體場強是8.3T，未來 HL-LHC 升級中少部分對撞區附近的超導磁體將提高至 11T。2019 年，費米實驗室成功制備了14 T的單孔徑加速器超導二極磁體，是目前最高的紀錄。高能所團隊 2021 年研制的雙孔徑二極實驗磁體在4.2 K下最高達到12.47 T。而科學家們提議建設的下一代高能量粒子對撞機，都基于更高的磁場強度，二極磁體場強要提高至 16~24 T 的水平，相關技術仍然在研發過程中。

圖4 (a)中國科學家提議建設的CEPC-SPPC，(b)歐洲核子研究中心提議建設的FCC，均基于高場超導磁體技術，以達到100 TeV以上的對撞能量

04高能量粒子加速器推動先進超導技術的發展

建造數十千米、甚至上百千米的高能粒子加速器，對于回答基礎物理的一些最基本問題，如基本粒子的構造、宇宙的構成、暗物質、暗能量等，可能是目前最高效的途徑之一。除此以外，大型粒子加速器的建設還有另一個層面的重要作用，甚至不亞于基礎物理研究本身，那就是能夠推進一系列前沿技術的發展，特別是強電應用超導技術。就像大型強子對撞機 LHC，全環 27 千米，99%的地方全是超導磁體。正是因為 LHC 以及其他幾個超導加速器的建設，把超導技術從以前實驗室小規模的實驗磁體研制，推高到一個商業大批量生產的產業化水平。在此基礎上，如今才有了醫院里常見的核磁共振功能成像儀。現在超導強電技術的應用已經遠不止在醫院，2021 年上海、深圳都建設了實用化超導輸電線路，超導磁體感應加熱技術在金屬冶煉中已突出其獨特優勢，高速超導磁懸浮列車和全超導可控核聚變裝置也正在快速發展。所以我們為什么要建這么大的加速器?除了回答最重要的基礎物理問題，還可以推動我們前沿技術的發展，讓這些前沿技術不是停留在實驗室，而是推廣到我們社會上，真正造福大家的醫療健康、衣食住行和生活水平。

國內的超導技術及產業發展其實也是得益于相關大科學裝置的建設。以超導材料為例，過去十幾年，在這一方向發展非常快!西部超導公司已經實現鈮鈦低溫超導材料的規模化量產，它的發展也是得益于我們中國在 2003 年左右參與到國際核聚變裝置 ITER 計劃，投入 10 億歐元作為該大科學裝置的超導材料及裝置等核心部件提供者，極大地推動了中國超導產業的發展。

在完成 ITER 項目指標后，西部超導公司現在已經轉型，把這個技術用在醫用核磁譜儀等相關技術，已經跟通用電氣、西門子、飛利浦很多公司都簽訂了相關協議，來提供中國造的超導線材。在高溫超導方面，得益于過去十幾年中國對先進技術產業的扶持，有了上海超導公司、上創超導公司、蘇州新材料研究所等，他們都已經能夠做國產化的高質量高溫超導帶材。

可以說，我們國家過去十幾年里，得益于大科學裝置的推動，已經實現了超導材料的國產化。雖然在超導磁體技術領域，我們還尚未達到世界領先水平，但已經大大縮小了跟國際最好水平的差距。在加速器超導磁體方面，中國科學院高能物理所的團隊在2021年取得12T的二極磁體的結果，邁入了世界第一梯隊的行列。在螺線管超導磁體方面，中國科學院電工研究所的王秋良團隊，在2019年創造了全超導的螺線管磁體32.3 T的國際最高紀錄。

過去十幾年，從超導材料到超導磁體技術，中國經歷了一個飛速發展的階段。在國內各類大科學裝置建設推動下，超導磁體技術還將有更加廣闊的發展空間。我們期待國產超導磁體能夠迅速做到國際領先水平，在基礎科研和社會生活中發揮重要的作用。