粒子对撞机上的超导磁体技术

王呈涛 徐庆金

近年来，随着超导相关装备的普及，“超导”这个“高大上”的词汇越来越贴近于大众的生活，时常被人们所提及。那么，到底什么是超导呢？作个简单的对比，大家对“超人”都很熟悉，相对普通人而言，超人具有超能力，能上天遁地，力量无穷。同样“超导”简单的一种理解便是具有超能力的导体，它的超能力为零电阻特性及迈斯纳效应（抗磁性）。超导体的零电阻特性是指超导体在低温下其电阻会突然消失降至为零。迈斯纳等科学家首先发现，在一定磁场强度下，超导体会将磁通从体内排出去，超导产品都是利用以上这2个超能力来更好地为大众服务的，例如超导电缆利用其零电阻特性可以避免电流传输过程中的焦耳热导致能量的浪费，使电能得到充分的利用;大家所熟知的超导磁悬浮则更多的是利用迈斯纳效应来实现物体的悬浮。

超导体及超导电性

1911年，荷兰莱顿大学的卡末林·昂纳斯教授发现，当温度降至4.15 K时，汞的电阻陡降为零，这一发现标志着人类对超导电性研究的开始。之后，各国的科学家对超导体及其性能展开了更多的探究，并先后发现了大部分纯净金属元素在低温下均具有超导现象，包括我们常见的锌、铝、锡和铅等，并进一步明确了实现超导现象的基本条件，需控制温度、磁场，以及导体内的电流密度低于其临界温度（T[C]）、临界磁场（H[C]）及临界电流密度（J[C]）值。这些纯净金属可分为两类超导体：第一类超导体迈斯纳态与正常态界限明确，当外磁场小于H[C]时，导体内无磁通穿过，为迈斯纳态;当外磁场超过H[C]时，样品返回正常态。由于纯净金属元素的T[C]、H[C]及J[C]均较低，因此采用纯净的金属元素制成的超导线材没有太多的实用价值。直到20世纪60年代，具有较高临界参数（T[C]，H[C]及J[C]）的材料相继被科学家发现，如铌钛（NbTi）、铌三锡（Nb[3]Sn）、铌三铝（Nb[3]Al）等。在随后的20世纪80年代，科学家又相继发现了铜氧化物，如Bi-2223、Bi-2212、ReBCO等高温超导体、二硼化镁（MgB[2]）新型超导体，以及最新的一类铁基超导体。人们把这些具有较高上临界参数的超导体做成线、带或者块材，用于超导相关装备的研制。而第二类超导体在迈斯纳态及正常态之间还存在混合态，在一定磁场下，外界的磁力线可以部分穿透超导体，而在超导体中被锁定，产生超导体与外界磁场的互锁效应。因此，将第二类超导体置于磁场中时，会达到悬浮且状态锁定的效果，这也是磁悬浮的基本原理。

左：第一类超导体的抗磁性示意图中：第二类超导体的抗磁性示意图右：高温超导块磁悬浮展示图

超导线材及超导电缆

自20世纪60年代首次被发现后，NbTi一直都是超导磁体上应用最广泛的超导材料。NbTi 线具有强度高、延展性好、临界电流密度高和相对造价低的优点，可制成多丝超导线，超导丝的直径可在5～50微米，这种超导细丝可有效地减少磁通跳跃及磁化效应。但NbTi超导线的不足之处是其T[C]（9.3 K）及H[C2]（11 T @4.2 K）较低，一般用于制作场强小于9 T的超导磁体，在研制更高场强的磁体时，需要用到上临界磁场更高的A15型化合物如Nb[3]Sn、Nb[3]Al等，其T[C]在14～23 K，H[C2]高达20～30 T。但A15化合物具有脆性，一般不能制成直径特别细的超导丝，其超导丝直径通常在50微米以上，且A15型化合物需要进行热处理才能形成超导相。

NbTi、Nb[3]Sn、Nb[3]Al等为低温超导材料，一般工作在液氦温区（4.2 K），如磁体工作在更高温区则需要采用T[C]更高的超导线、带材，如Bi-2223、Bi-2212、 ReBCO或者铁基（IBS，）等，这些材料属于高温超导材料，具有更高的T[C]及H[C]。其中，特别值得一提的是對实用化铁基超导线带材的研制已有了很大的进展。2016年8月，中国科学院电工所马衍伟团队研制出了世界上第一根百米级的铁基超导线带材，J[C]（@ 4.2 K，10 T）超过了12000 A/cm[2]。铁基超导线带材因其原材料便宜，且材料机械性能相对较好，同时各向异性较小，被认为是极具潜力的实用化高温超导材料。2016年10月，国内超导相关院所、高校成立了“实用化高温超导材料产学研合作组”，共同推进铁基等先进超导技术的发展。

左： 铜截面示意图中： NbTi 超导线截面示意图右： Nb3Sn 超导线截面示意图

在高场强超导磁体中，大部分的超导线圈是由超导电缆绕制而成的，即先用线材绕制成电缆，再进行线圈的绕制。下图所示为常用的几种电缆类型，其中图a为卢瑟福电缆，适用于NbTi、Nb[3]Sn及Bi-2212等圆线的绞制。图b为Cable-in-conduit 电缆，多用于核聚变磁体线圈的绕制。图c为Robel 电缆，多用于ReBCO等高温超导带材。

a： Bi-2223 超导带截面示意图b： Bi-2212 超导线截面示意图c： ReBCO超导带及其截面示意图d： IBS百米级超导线及截面示意图

超导线圈及超导磁体

实际应用中，根据不同的需求将超导线（缆）绕制成不同结构的线圈（即超导线圈），再配套相应的支撑结构（用于固定线圈及抵抗电磁力等）、轭铁（可提高场强及减少漏场等）、低温系统、控制系统等研制出不同类型的超导磁体。以下将以高场强超导二极磁体为例作简单介绍。

作为超高倍的“显微镜”，高能量粒子对撞机是向物质结构更深层次探索的主要工具。而高场强超导二极磁体是SPPC（超导质子对撞机）或FCC（未来环形对撞机）等未来高能量对撞机中的核心装备，其性能直接决定着对撞机能够达到的最高能量。可以提供二极磁场的线圈具有多种结构，如Cos-theta结构、Common-coil结构、Block-type结构及Canted cos-theta结构等。这4种线圈结构各有各的优缺点，且均能在束流管道中产生垂直向上或向下的磁场，用于粒子的偏转，控制其运行方向。

目前，基于NbTi超导材料的二极磁体已经广泛应用于国际上多个正在运行的加速器中，如美国费米实验室的Tevatron、布鲁克海文实验室的RHIC、德国DESY的HERA、欧洲核子研究中心的LHC等。其中LHC加速器上的二极磁体场强为8.3 T，是目前运行的超导加速器二极磁体场强的最高值，也已经非常接近NbTi超导磁体的场强临界值。以上加速器超导二极磁体均采用的是Cos-theta的线圈结构，国内外各大磁体研制实验室也一直在探究基于其他线圈结构及超导材料如Nb[3]Sn来研制更高场强的超导二级磁体，并取得了一定的成果。在CEPC-SPPC（环形正负电子对撞机——超级质子对撞机）项目的关键技术预研推动下，中国科学院高能物理研究所正在开展高场强超导二极磁体的研制工作。目前已经完成了一台场强高达10.23 T的二极磁体LPF1的研制，其后加大预紧力对磁体进行了重新组装及测试，场强提高到了10.71 T。该磁体的研制成功填补了国内在该领域研究的空白，也为后续更高场强的超导二极磁体的研制奠定了坚实的基础。同时，中国科学院高能物理研究所联合中国科学院电工研究所，已完成国际上首次基于百米铁基超导线带材的超导线圈的研制，及铁基小线圈24-T高磁场下的性能测试，实验验证了铁基超导材料用于高场磁体技术的可行性，为下一代高性能低成本的高场超导磁体技术的发展开拓了新路径。

a： Rutherford 电缆b： Cable-in-conduit 电缆c： Robel 电缆

加速器二极磁体不同线圈结构

左：加速器二极磁体LPF1测试结果右：铁基超导线圈24-T高场下性能测试结果

左：核磁共振仪MRI 中：核聚变反应堆示意图右：超导磁悬浮列车示意图

除了在粒子加速器上的应用，超导磁体在医疗、能源、交通等领域也有着不可替代的应用，如超导磁悬浮列车、核聚变装置及医用核磁共振MRI等。另外，超导在工业、生命科学、物理和军事等领域也起到了至关重要的作用，可以說超导正在改变我们的世界。

磁通：设在磁感应强度为B的匀强磁场中，有一个面积为S且与磁场方向垂直的平面，磁感应强度B与面积S的乘积，被称为穿过这个平面的磁通量，简称磁通。

铁基超导体：一种新型的高温超导材料，具有相似的层状结构。它们含有由 Fe 和氮族元素（P， As）或硫族元素（S，Se，Te）按1：1 的原子比组成的超导电层，以及为导电层提供载流子的载流子库层。

预紧力：在连接中（连接的方式和用途是多样的），在受到工作载荷之前，为了增强连接的可靠性和紧密性，以防止受到载荷后连接件间出现缝隙或者相对滑移而预先施加的力。