粒子對(duì)撞機(jī)上的超導(dǎo)磁體技術(shù)

王呈濤 徐慶金

近年來(lái)，隨著超導(dǎo)相關(guān)裝備的普及，“超導(dǎo)”這個(gè)“高大上”的詞匯越來(lái)越貼近于大眾的生活，時(shí)常被人們所提及。那么，到底什么是超導(dǎo)呢？作個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)比，大家對(duì)“超人”都很熟悉，相對(duì)普通人而言，超人具有超能力，能上天遁地，力量無(wú)窮。同樣“超導(dǎo)”簡(jiǎn)單的一種理解便是具有超能力的導(dǎo)體，它的超能力為零電阻特性及邁斯納效應(yīng)（抗磁性）。超導(dǎo)體的零電阻特性是指超導(dǎo)體在低溫下其電阻會(huì)突然消失降至為零。邁斯納等科學(xué)家首先發(fā)現(xiàn)，在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度下，超導(dǎo)體會(huì)將磁通從體內(nèi)排出去，超導(dǎo)產(chǎn)品都是利用以上這2個(gè)超能力來(lái)更好地為大眾服務(wù)的，例如超導(dǎo)電纜利用其零電阻特性可以避免電流傳輸過(guò)程中的焦耳熱導(dǎo)致能量的浪費(fèi)，使電能得到充分的利用;大家所熟知的超導(dǎo)磁懸浮則更多的是利用邁斯納效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)物體的懸浮。

超導(dǎo)體及超導(dǎo)電性

1911年，荷蘭萊頓大學(xué)的卡末林·昂納斯教授發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度降至4.15 K時(shí)，汞的電阻陡降為零，這一發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著人類(lèi)對(duì)超導(dǎo)電性研究的開(kāi)始。之后，各國(guó)的科學(xué)家對(duì)超導(dǎo)體及其性能展開(kāi)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(dǎo)現(xiàn)象，包括我們常見(jiàn)的鋅、鋁、錫和鉛等，并進(jìn)一步明確了實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象的基本條件，需控制溫度、磁場(chǎng)，以及導(dǎo)體內(nèi)的電流密度低于其臨界溫度（T[C]）、臨界磁場(chǎng)（H[C]）及臨界電流密度（J[C]）值。這些純凈金屬可分為兩類(lèi)超導(dǎo)體：第一類(lèi)超導(dǎo)體邁斯納態(tài)與正常態(tài)界限明確，當(dāng)外磁場(chǎng)小于H[C]時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)無(wú)磁通穿過(guò)，為邁斯納態(tài);當(dāng)外磁場(chǎng)超過(guò)H[C]時(shí)，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(dǎo)線材沒(méi)有太多的實(shí)用價(jià)值。直到20世紀(jì)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(xué)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(jì)80年代，科學(xué)家又相繼發(fā)現(xiàn)了銅氧化物，如Bi-2223、Bi-2212、ReBCO等高溫超導(dǎo)體、二硼化鎂（MgB[2]）新型超導(dǎo)體，以及最新的一類(lèi)鐵基超導(dǎo)體。人們把這些具有較高上臨界參數(shù)的超導(dǎo)體做成線、帶或者塊材，用于超導(dǎo)相關(guān)裝備的研制。而第二類(lèi)超導(dǎo)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(chǎng)下，外界的磁力線可以部分穿透超導(dǎo)體，而在超導(dǎo)體中被鎖定，產(chǎn)生超導(dǎo)體與外界磁場(chǎng)的互鎖效應(yīng)。因此，將第二類(lèi)超導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中時(shí)，會(huì)達(dá)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(lèi)超導(dǎo)體的抗磁性示意圖中：第二類(lèi)超導(dǎo)體的抗磁性示意圖右：高溫超導(dǎo)塊磁懸浮展示圖

超導(dǎo)線材及超導(dǎo)電纜

自20世紀(jì)60年代首次被發(fā)現(xiàn)后，NbTi一直都是超導(dǎo)磁體上應(yīng)用最廣泛的超導(dǎo)材料。NbTi 線具有強(qiáng)度高、延展性好、臨界電流密度高和相對(duì)造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，可制成多絲超導(dǎo)線，超導(dǎo)絲的直徑可在5～50微米，這種超導(dǎo)細(xì)絲可有效地減少磁通跳躍及磁化效應(yīng)。但NbTi超導(dǎo)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(chǎng)強(qiáng)小于9 T的超導(dǎo)磁體，在研制更高場(chǎng)強(qiáng)的磁體時(shí)，需要用到上臨界磁場(chǎng)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(dá)20～30 T。但A15化合物具有脆性，一般不能制成直徑特別細(xì)的超導(dǎo)絲，其超導(dǎo)絲直徑通常在50微米以上，且A15型化合物需要進(jìn)行熱處理才能形成超導(dǎo)相。

NbTi、Nb[3]Sn、Nb[3]Al等為低溫超導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)材料，具有更高的T[C]及H[C]。其中，特別值得一提的是對(duì)實(shí)用化鐵基超導(dǎo)線帶材的研制已有了很大的進(jìn)展。2016年8月，中國(guó)科學(xué)院電工所馬衍偉團(tuán)隊(duì)研制出了世界上第一根百米級(jí)的鐵基超導(dǎo)線帶材，J[C]（@ 4.2 K，10 T）超過(guò)了12000 A/cm[2]。鐵基超導(dǎo)線帶材因其原材料便宜，且材料機(jī)械性能相對(duì)較好，同時(shí)各向異性較小，被認(rèn)為是極具潛力的實(shí)用化高溫超導(dǎo)材料。2016年10月，國(guó)內(nèi)超導(dǎo)相關(guān)院所、高校成立了“實(shí)用化高溫超導(dǎo)材料產(chǎn)學(xué)研合作組”，共同推進(jìn)鐵基等先進(jìn)超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展。

左： 銅截面示意圖中： NbTi 超導(dǎo)線截面示意圖右： Nb3Sn 超導(dǎo)線截面示意圖

在高場(chǎng)強(qiáng)超導(dǎo)磁體中，大部分的超導(dǎo)線圈是由超導(dǎo)電纜繞制而成的，即先用線材繞制成電纜，再進(jìn)行線圈的繞制。下圖所示為常用的幾種電纜類(lèi)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(dǎo)帶材。

a： Bi-2223 超導(dǎo)帶截面示意圖b： Bi-2212 超導(dǎo)線截面示意圖c： ReBCO超導(dǎo)帶及其截面示意圖d： IBS百米級(jí)超導(dǎo)線及截面示意圖

超導(dǎo)線圈及超導(dǎo)磁體

實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)不同的需求將超導(dǎo)線（纜）繞制成不同結(jié)構(gòu)的線圈（即超導(dǎo)線圈），再配套相應(yīng)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(chǎng)強(qiáng)及減少漏場(chǎng)等）、低溫系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等研制出不同類(lèi)型的超導(dǎo)磁體。以下將以高場(chǎng)強(qiáng)超導(dǎo)二極磁體為例作簡(jiǎn)單介紹。

作為超高倍的“顯微鏡”，高能量粒子對(duì)撞機(jī)是向物質(zhì)結(jié)構(gòu)更深層次探索的主要工具。而高場(chǎng)強(qiáng)超導(dǎo)二極磁體是SPPC（超導(dǎo)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)）或FCC（未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)）等未來(lái)高能量對(duì)撞機(jī)中的核心裝備，其性能直接決定著對(duì)撞機(jī)能夠達(dá)到的最高能量?？梢蕴峁┒O磁場(chǎng)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(diǎn)，且均能在束流管道中產(chǎn)生垂直向上或向下的磁場(chǎng)，用于粒子的偏轉(zhuǎn)，控制其運(yùn)行方向。

目前，基于NbTi超導(dǎo)材料的二極磁體已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)際上多個(gè)正在運(yùn)行的加速器中，如美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Tevatron、布魯克海文實(shí)驗(yàn)室的RHIC、德國(guó)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(chǎng)強(qiáng)為8.3 T，是目前運(yùn)行的超導(dǎo)加速器二極磁體場(chǎng)強(qiáng)的最高值，也已經(jīng)非常接近NbTi超導(dǎo)磁體的場(chǎng)強(qiáng)臨界值。以上加速器超導(dǎo)二極磁體均采用的是Cos-theta的線圈結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外各大磁體研制實(shí)驗(yàn)室也一直在探究基于其他線圈結(jié)構(gòu)及超導(dǎo)材料如Nb[3]Sn來(lái)研制更高場(chǎng)強(qiáng)的超導(dǎo)二級(jí)磁體，并取得了一定的成果。在CEPC-SPPC（環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)——超級(jí)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)）項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研推動(dòng)下，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所正在開(kāi)展高場(chǎng)強(qiáng)超導(dǎo)二極磁體的研制工作。目前已經(jīng)完成了一臺(tái)場(chǎng)強(qiáng)高達(dá)10.23 T的二極磁體LPF1的研制，其后加大預(yù)緊力對(duì)磁體進(jìn)行了重新組裝及測(cè)試，場(chǎng)強(qiáng)提高到了10.71 T。該磁體的研制成功填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域研究的空白，也為后續(xù)更高場(chǎng)強(qiáng)的超導(dǎo)二極磁體的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院電工研究所，已完成國(guó)際上首次基于百米鐵基超導(dǎo)線帶材的超導(dǎo)線圈的研制，及鐵基小線圈24-T高磁場(chǎng)下的性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了鐵基超導(dǎo)材料用于高場(chǎng)磁體技術(shù)的可行性，為下一代高性能低成本的高場(chǎng)超導(dǎo)磁體技術(shù)的發(fā)展開(kāi)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(cè)試結(jié)果右：鐵基超導(dǎo)線圈24-T高場(chǎng)下性能測(cè)試結(jié)果

左：核磁共振儀MRI 中：核聚變反應(yīng)堆示意圖右：超導(dǎo)磁懸浮列車(chē)示意圖

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

磁通：設(shè)在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，有一個(gè)面積為S且與磁場(chǎng)方向垂直的平面，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與面積S的乘積，被稱(chēng)為穿過(guò)這個(gè)平面的磁通量，簡(jiǎn)稱(chēng)磁通。

鐵基超導(dǎo)體：一種新型的高溫超導(dǎo)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(dǎo)電層，以及為導(dǎo)電層提供載流子的載流子庫(kù)層。

預(yù)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(qiáng)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(duì)滑移而預(yù)先施加的力。