Newshot CERN 打造了大型强子对撞机的下一代磁铁
本文是我们与 IEEE Xplore 合作的独家 IEEE Journal Watch 系列的一部分。
CERN 的大型强子对撞机（LHC）使用极强磁铁，使粒子以接近光速碰撞，并将其分裂成更小的组成部分以供研究。LHC 已经能够在单次实验中每秒约4000万次使约60个粒子相撞，这促成了本世纪一些最重要的粒子物理学发现。
但 CERN 的科学家并未止步于此。他们目前正在为计划于2030年后开始的未来实验升级 LHC。该粒子对撞机的新版本名为高亮度大型强子对撞机，将使更多粒子相撞。（“高亮度”一词指的是粒子碰撞数量增加。）CERN 的目标是在每次实验中每秒4000万次实现140至200次粒子碰撞，以提高他们观测到稀有粒子或现象的机会。为取得成功，该对撞机将需要极其紧凑且高质量的磁铁。
在9月24日发表于 IEEE Transactions on Applied Superconductivity 的一项研究中，研究人员概述了他们为 LHC 制造这些下一代磁铁的历程，这些磁铁需要新材料和制造技术。
开发 Nb₃Sn 超导磁铁
该对撞机目前的二极磁铁包含由铌钛（NbTi）制成的线圈，强度可达8.3特斯拉。这大约相当于地球磁场的166,000倍。然而，这一磁力是 NbTi 线圈所能达到的上限。对于 LHC 的新四极磁铁，科学家正在制造由铌锡（Nb₃Sn）制成的线圈，其强度将略低于12 T。
Susana Izquierdo Bermúdez 是 CERN 的一名磁铁工程师，领导着一个约60人的团队，自2012年以来一直参与这些磁铁的研发。多年来，她为项目的许多不同方面做出了贡献，包括早期绕制测试、电磁设计、机械设计、制造和测试。
Izquierdo Bermúdez 指出，NbTi 具有延展性，可以在超导化合物形成后再绕制，而 Nb₃Sn 很脆，无法承受线圈绕制所涉及的大应变。因此，这些磁铁采用名为 wind-and-react 的工艺生产：先将线缆绕制成最终的线圈几何形状，然后才通过高温热处理形成 Nb₃Sn 超导相。
首先，团队取一根由铌和锡股线组成的760米长线缆，将其绕在一个中心极上，形成长约7.2米、孔径为150毫米的线圈。
绕制完成后，线圈在惰性气氛中接受受控热处理。温度随时间升高，先在约210 °C 保持平台，然后在约400 °C 保持平台，最后在约650 °C 达到峰值。该过程持续数天，在此期间，股线中的铌和锡发生反应，形成脆性的 Nb₃Sn 超导相。
“反应后，线圈必须非常小心地处理，因为过度变形可能损坏脆性的超导材料，”Izquierdo Bermúdez 解释道。
随后，线圈用液态环氧树脂找平，该树脂填充任何内部空隙、裂纹或缝隙，最后固化成刚性聚合物。
在他们的研究中，Izquierdo Bermúdez 和同事概述了他们为 LHC 制造120多个用于4.5米长磁铁的线圈，以及70多个用于7.2米长磁铁的线圈的努力。每个四极磁铁包含四个线圈。
团队总共生产了 250 个线圈，其中 25 个因人为失误或制造过程中的挑战而失败，这些挑战使线圈的电气或机械性能不达标。Izquierdo Bermúdez 说，即使是最微小的缺陷也可能使线圈性能受损。有一次，一个线圈不得不被丢弃，因为据怀疑，一个卡在线圈与其某个保护组件之间的金属颗粒干扰了其性能。
9 月，Izquierdo Bermúdez 的团队完成了为 CERN 制造的 7.2 米磁体的质量控制测试，确认其达到了 11.3 T 的峰值磁力。这些磁体运行良好，团队现在正致力于制造备份件。
Izquierdo Bermúdez 说，参与这项工作既是巨大的荣誉，也是重大的责任，而这项工作一直是一项大型团队协作。她说：“一个大型国际团队花费了多年的工作，从导体和磁体开发到制造、测试和最终集成。看到这项技术达到这一阶段，是我们所有人都能引以为豪的事情。”
本文于 2026 年 11 月 10 日更新，以更正每次实验中粒子碰撞的总数。
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