粒子對撞機上的超導磁體技術(shù)

王呈濤 徐慶金

近年來，隨著超導相關裝備的普及，“超導”這個“高大上”的詞匯越來越貼近于大眾的生活，時常被人們所提及。那么，到底什么是超導呢？作個簡單的對比，大家對“超人”都很熟悉，相對普通人而言，超人具有超能力，能上天遁地，力量無窮。同樣“超導”簡單的一種理解便是具有超能力的導體，它的超能力為零電阻特性及邁斯納效應（抗磁性）。超導體的零電阻特性是指超導體在低溫下其電阻會突然消失降至為零。邁斯納等科學家首先發(fā)現(xiàn)，在一定磁場強度下，超導體會將磁通從體內(nèi)排出去，超導產(chǎn)品都是利用以上這2個超能力來更好地為大眾服務的，例如超導電纜利用其零電阻特性可以避免電流傳輸過程中的焦耳熱導致能量的浪費，使電能得到充分的利用;大家所熟知的超導磁懸浮則更多的是利用邁斯納效應來實現(xiàn)物體的懸浮。

超導體及超導電性

1911年，荷蘭萊頓大學的卡末林·昂納斯教授發(fā)現(xiàn)，當溫度降至4.15 K時，汞的電阻陡降為零，這一發(fā)現(xiàn)標志著人類對超導電性研究的開始。之后，各國的科學家對超導體及其性能展開了更多的探究，并先后發(fā)現(xiàn)了大部分純凈金屬元素在低溫下均具有超導現(xiàn)象，包括我們常見的鋅、鋁、錫和鉛等，并進一步明確了實現(xiàn)超導現(xiàn)象的基本條件，需控制溫度、磁場，以及導體內(nèi)的電流密度低于其臨界溫度（T[C]）、臨界磁場（H[C]）及臨界電流密度（J[C]）值。這些純凈金屬可分為兩類超導體：第一類超導體邁斯納態(tài)與正常態(tài)界限明確，當外磁場小于H[C]時，導體內(nèi)無磁通穿過，為邁斯納態(tài);當外磁場超過H[C]時，樣品返回正常態(tài)。由于純凈金屬元素的T[C]、H[C]及J[C]均較低，因此采用純凈的金屬元素制成的超導線材沒有太多的實用價值。直到20世紀60年代，具有較高臨界參數(shù)（T[C]，H[C]及J[C]）的材料相繼被科學家發(fā)現(xiàn)，如鈮鈦（NbTi）、鈮三錫（Nb[3]Sn）、鈮三鋁（Nb[3]Al）等。在隨后的20世紀80年代，科學家又相繼發(fā)現(xiàn)了銅氧化物，如Bi-2223、Bi-2212、ReBCO等高溫超導體、二硼化鎂（MgB[2]）新型超導體，以及最新的一類鐵基超導體。人們把這些具有較高上臨界參數(shù)的超導體做成線、帶或者塊材，用于超導相關裝備的研制。而第二類超導體在邁斯納態(tài)及正常態(tài)之間還存在混合態(tài)，在一定磁場下，外界的磁力線可以部分穿透超導體，而在超導體中被鎖定，產(chǎn)生超導體與外界磁場的互鎖效應。因此，將第二類超導體置于磁場中時，會達到懸浮且狀態(tài)鎖定的效果，這也是磁懸浮的基本原理。

左：第一類超導體的抗磁性示意圖中：第二類超導體的抗磁性示意圖右：高溫超導塊磁懸浮展示圖

超導線材及超導電纜

自20世紀60年代首次被發(fā)現(xiàn)后，NbTi一直都是超導磁體上應用最廣泛的超導材料。NbTi 線具有強度高、延展性好、臨界電流密度高和相對造價低的優(yōu)點，可制成多絲超導線，超導絲的直徑可在5～50微米，這種超導細絲可有效地減少磁通跳躍及磁化效應。但NbTi超導線的不足之處是其T[C]（9.3 K）及H[C2]（11 T @4.2 K）較低，一般用于制作場強小于9 T的超導磁體，在研制更高場強的磁體時，需要用到上臨界磁場更高的A15型化合物如Nb[3]Sn、Nb[3]Al等，其T[C]在14～23 K，H[C2]高達20～30 T。但A15化合物具有脆性，一般不能制成直徑特別細的超導絲，其超導絲直徑通常在50微米以上，且A15型化合物需要進行熱處理才能形成超導相。

NbTi、Nb[3]Sn、Nb[3]Al等為低溫超導材料，一般工作在液氦溫區(qū)（4.2 K），如磁體工作在更高溫區(qū)則需要采用T[C]更高的超導線、帶材，如Bi-2223、Bi-2212、 ReBCO或者鐵基（IBS，）等，這些材料屬于高溫超導材料，具有更高的T[C]及H[C]。其中，特別值得一提的是對實用化鐵基超導線帶材的研制已有了很大的進展。2016年8月，中國科學院電工所馬衍偉團隊研制出了世界上第一根百米級的鐵基超導線帶材，J[C]（@ 4.2 K，10 T）超過了12000 A/cm[2]。鐵基超導線帶材因其原材料便宜，且材料機械性能相對較好，同時各向異性較小，被認為是極具潛力的實用化高溫超導材料。2016年10月，國內(nèi)超導相關院所、高校成立了“實用化高溫超導材料產(chǎn)學研合作組”，共同推進鐵基等先進超導技術(shù)的發(fā)展。

左： 銅截面示意圖中： NbTi 超導線截面示意圖右： Nb3Sn 超導線截面示意圖

在高場強超導磁體中，大部分的超導線圈是由超導電纜繞制而成的，即先用線材繞制成電纜，再進行線圈的繞制。下圖所示為常用的幾種電纜類型，其中圖a為盧瑟福電纜，適用于NbTi、Nb[3]Sn及Bi-2212等圓線的絞制。圖b為Cable-in-conduit 電纜，多用于核聚變磁體線圈的繞制。圖c為Robel 電纜，多用于ReBCO等高溫超導帶材。

a： Bi-2223 超導帶截面示意圖b： Bi-2212 超導線截面示意圖c： ReBCO超導帶及其截面示意圖d： IBS百米級超導線及截面示意圖

超導線圈及超導磁體

實際應用中，根據(jù)不同的需求將超導線（纜）繞制成不同結(jié)構(gòu)的線圈（即超導線圈），再配套相應的支撐結(jié)構(gòu)（用于固定線圈及抵抗電磁力等）、軛鐵（可提高場強及減少漏場等）、低溫系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等研制出不同類型的超導磁體。以下將以高場強超導二極磁體為例作簡單介紹。

作為超高倍的“顯微鏡”，高能量粒子對撞機是向物質(zhì)結(jié)構(gòu)更深層次探索的主要工具。而高場強超導二極磁體是SPPC（超導質(zhì)子對撞機）或FCC（未來環(huán)形對撞機）等未來高能量對撞機中的核心裝備，其性能直接決定著對撞機能夠達到的最高能量。可以提供二極磁場的線圈具有多種結(jié)構(gòu)，如Cos-theta結(jié)構(gòu)、Common-coil結(jié)構(gòu)、Block-type結(jié)構(gòu)及Canted cos-theta結(jié)構(gòu)等。這4種線圈結(jié)構(gòu)各有各的優(yōu)缺點，且均能在束流管道中產(chǎn)生垂直向上或向下的磁場，用于粒子的偏轉(zhuǎn)，控制其運行方向。

目前，基于NbTi超導材料的二極磁體已經(jīng)廣泛應用于國際上多個正在運行的加速器中，如美國費米實驗室的Tevatron、布魯克海文實驗室的RHIC、德國DESY的HERA、歐洲核子研究中心的LHC等。其中LHC加速器上的二極磁體場強為8.3 T，是目前運行的超導加速器二極磁體場強的最高值，也已經(jīng)非常接近NbTi超導磁體的場強臨界值。以上加速器超導二極磁體均采用的是Cos-theta的線圈結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外各大磁體研制實驗室也一直在探究基于其他線圈結(jié)構(gòu)及超導材料如Nb[3]Sn來研制更高場強的超導二級磁體，并取得了一定的成果。在CEPC-SPPC（環(huán)形正負電子對撞機——超級質(zhì)子對撞機）項目的關鍵技術(shù)預研推動下，中國科學院高能物理研究所正在開展高場強超導二極磁體的研制工作。目前已經(jīng)完成了一臺場強高達10.23 T的二極磁體LPF1的研制，其后加大預緊力對磁體進行了重新組裝及測試，場強提高到了10.71 T。該磁體的研制成功填補了國內(nèi)在該領域研究的空白，也為后續(xù)更高場強的超導二極磁體的研制奠定了堅實的基礎。同時，中國科學院高能物理研究所聯(lián)合中國科學院電工研究所，已完成國際上首次基于百米鐵基超導線帶材的超導線圈的研制，及鐵基小線圈24-T高磁場下的性能測試，實驗驗證了鐵基超導材料用于高場磁體技術(shù)的可行性，為下一代高性能低成本的高場超導磁體技術(shù)的發(fā)展開拓了新路徑。

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

加速器二極磁體不同線圈結(jié)構(gòu)

左：加速器二極磁體LPF1測試結(jié)果右：鐵基超導線圈24-T高場下性能測試結(jié)果

左：核磁共振儀MRI 中：核聚變反應堆示意圖右：超導磁懸浮列車示意圖

除了在粒子加速器上的應用，超導磁體在醫(yī)療、能源、交通等領域也有著不可替代的應用，如超導磁懸浮列車、核聚變裝置及醫(yī)用核磁共振MRI等。另外，超導在工業(yè)、生命科學、物理和軍事等領域也起到了至關重要的作用，可以說超導正在改變我們的世界。

磁通：設在磁感應強度為B的勻強磁場中，有一個面積為S且與磁場方向垂直的平面，磁感應強度B與面積S的乘積，被稱為穿過這個平面的磁通量，簡稱磁通。

鐵基超導體：一種新型的高溫超導材料，具有相似的層狀結(jié)構(gòu)。它們含有由 Fe 和氮族元素（P， As）或硫族元素（S，Se，Te）按1：1 的原子比組成的超導電層，以及為導電層提供載流子的載流子庫層。

預緊力：在連接中（連接的方式和用途是多樣的），在受到工作載荷之前，為了增強連接的可靠性和緊密性，以防止受到載荷后連接件間出現(xiàn)縫隙或者相對滑移而預先施加的力。