用磁铁做一个小玩具

说到磁铁，大家可能会想起小时候玩过的马蹄形磁铁。如今，磁铁的种类丰富多样，从磁力片、磁力火车到磁力钓鱼玩具，无一不展示出磁铁的神奇魅力。除此之外，在我们的日常生活和工作中，还有许多不起眼的磁铁，它们共同的特点是都是永磁铁。

今天，我们要向大家介绍的是磁铁家族中的巨无霸，它们重量动辄数吨甚至数百吨。这些巨无霸不仅是加速器的重要元件，而且其中还有各种各样的电磁铁。虽然它们平时在实验室里默默工作，与大家见面的机会并不多，但它们的存在和应用对科学研究和工业发展有着举足轻重的作用。

科学家们像好奇的小朋友一样，不断地探索未知的世界。他们通过不断地“拆装”满足好奇心，进而更深入地了解整个世界。在微观世界里，加速器就是他们的得力助手，帮助探索原子核乃至更微观粒子的奥秘。例如，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机，曾经成功帮助科学家发现了传说中的上帝粒子——Higgs粒子。

而在加速器的庞大系统中，磁铁是不可或缺的关键元件。它们像束流的向导一样，引导带电粒子沿着既定的轨迹运动并储存能量。这些磁铁的应用历史悠久，从早期的回旋加速器到现代的环形加速器，都离不开磁铁的支持。

磁铁的种类繁多，常见的有常温磁铁、超导磁铁和永磁铁等。每种磁铁都有其独特的特点和应用领域。例如，超导磁铁能够产生高磁场，因此在高磁场需求中得到了广泛应用。而永磁铁则是环保绿色的选择，无需电源和水冷系统，可在特殊环境下运行。

那么，加速器中的磁铁是如何工作的呢？简单来说，主要就是洛伦兹力的作用。二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁等不同类型的磁铁，在加速器中发挥着不同的作用。例如，二极磁铁通过产生的磁场对带电粒子产生作用，改变运动方向；而四极磁铁则通过洛伦兹力将束流在水平或竖直方向进行会聚，实现聚焦的效果。

未来的加速器磁铁将会更高、更快、更强。为了满足加速粒子更高能量的需求，我们必须努力提高磁场强度；为了满足物理需求，还需要提高磁铁的磁场上升速率；还需要增强磁体抵抗电磁力的能力，以确保稳定运行。

磁铁作为加速器的核心元件，支撑着加速器的运行，引导着加速器的束流循环。加速器磁铁系统涉及的内容非常丰富，包括磁场设计、磁铁结构设计、磁场测量、低温系统设计以及机械设计等。希望能让大家对磁铁系统有一个初步的了解。欢迎大家以后来参观学习，亲眼看看这些神奇的大家伙！

（本文成稿感谢姚庆高、吴巍、冒立军、刘芳老师及磁铁技术室全体同事的帮助。）

参考文献：

[1] 唐靖宇. 回旋加速器和串列静电加速器课件, 2019

[2] 桂伟燮. 荷电粒子加速器原理 [M], 1993

[3] R. Beth, Analytical Design of Superconducting Multipolar Magnets [M], 1968

[4] Iron Dominated Electromagnets Design, Fabrication, Assembly and Measurements [M], 2005

[5] 徐庆金. 粒子加速器中的高场超导磁体技术研究报告，2020

[6] 徐建铭, 陈仁怀,刘茂三.永磁磁体的发展和在加速器中的应用[J]. 原子能科学技术，1985