大型环形对撞机中的前沿技术（下）

中国科学院高能物理研究所

二、超级质子-质子对撞机(SppC)中的高场超导磁体技术

二战之后的欧洲，各个国家支离破碎，彼此刚脱离敌对状态；为了促进国与国之间的合作，消除战争阴影，欧洲的政府首脑们一致同意，共同成立一个以基础科学研究为目的欧洲核子研究组织，也就是后来的CERN。目前世界上最著名的粒子加速器就是CERN的大型强子对撞机(LHC)，这个粒子对撞机坐落于瑞士和法国的边界，地下100米深，总长27千米的环形隧道内，如图8所示。在随后几十年里，CERN取得了众多的科学成就，最近的一个为世人所熟知的就是2012年发现了上帝粒子“希格斯玻色子”。CERN开展的研究，不仅推动了基础科学的进步，高能量粒子加速器与探测器的研制及建设，也带动了众多先进技术的进步。

图8 (a)大型强子对撞机LHC；(b)CEPC-SPPC粒子加速器布局

对于环形加速器，粒子束可以在环里面反复加速及碰撞，如图2所示。我们需要在直线段部分对带电粒子加速提高其动能：F=eE，然后在圆弧部分将粒子转向：F=eν×B。在对撞机周长不变的情况下，磁场强度B的大小直接决定了最终对撞机能达到的最高能量。能提供更高场强的超导磁体，以及更高加速梯度的高频超导腔，是高能量粒子加速器的必须选择。为了在100千米隧道内达到75~150TeV的对撞能量，二极磁体的偏转磁场强度需要达到12~24T。

对于环形加速器，粒子束可以在环里面反复加速及碰撞，如图9所示。我们需要在直线段部分对带电粒子加速提高其动能：F=eE，然后在圆弧部分将粒子转向：F=eν×B。在对撞机周长不变的情况下，磁场强度B的大小直接决定了最终对撞机能达到的最高能量。能提供更高场强的超导磁体，以及更高加速梯度的高频超导腔，是高能量粒子加速器的必须选择。

加速器二极磁体和四极磁体是构成这种环形加速器的主要部件，如图9所示。粒子注入到加速器后，首先会经过二极磁体偏转，之后由于粒子所具有的动能不完全相同，粒子轨迹会发散开，因此需要四极磁体来进行聚焦，其原理类似光学透镜原理。可以提供二极磁场的线圈具有多种结构，如图10(a)所示，有Costheta结构、Commoncoil结构、Block结构和CCT结构等。我们对比一下加速器中的二极磁体和螺线管磁体的结构，如图10(b)：假设J_e为电流密度，t为线圈厚度，我们可以计算该二极磁体的场强为B=μ_oJ_et2；但是同样厚度的螺线管磁体，其场强为B=μ_oJ_et。同样参数下，二极磁体的场强只有螺线管磁体的一半，同时二极磁体当中的磁场还需要保持足够高的场均匀度。

图9 加速器中磁体工作原理示意图

10 (a)加速器二极磁体不同线圈结构；(b)螺线管磁体线圈结构

高能量粒子加速器需要更高场强的磁体，同时磁体数量众多，体积又受到隧道内空间限制，运行功率及造价又必须在合理范围内；具有更高载流密度的超导材料是唯一的选择。超导材料即使在高背景磁场下，载流性能也可以达到铜线的100倍以上，如图11所示。目前实用化的超导线材，通常以芯线形式被制作成细长的细丝，并嵌入铜基体里面，同时细丝和线材扭绞在一起，以减少其中的磁通跳跃和交流损耗，同时增加失超后的保护作用及运行稳定性。目前基于低温超导材料NbTi的超导磁体已经广泛应用于国际上多个在运行的粒子加速器中，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，如图12所示。其中LHC加速器上的二极磁体场强8.3T，为目前在运行的超导加速器磁体场强最高值，也已经非常接近NbTi超导磁体的场强临界值。基于低温超导材料Nb₃Sn的更高场二极实验磁体，美国费米实验室于2019年9月创下最新世界纪录14.3T。理论上基于Nb₃Sn超导材料的加速器磁体临界磁场为16~17T，若想进一步提升场强，必须使用具有更高临界场的高温超导材料。

图11 同样截面铜及超导线材高背景磁场下载流性能对比

图12 国际上已经建设完成的超导加速器二极磁体结构

在现有的超导材料中，传统的低温超导体铌钛(NbTi)成本最低，同时具有较好的机械性能。其他的超导材料均比铌钛造价高出数倍甚至数百倍。如要建设SPPC加速器，将需要成千上万个高场超导磁体，对超导材料性能及造价都提出了挑战。未来高能量粒子加速器的建设，需要超导材料性能的进一步提高以及成本的大幅度降低。铁基超导材料，从其高场性能到其实用化线材的制作成本，我们认为比目前其他已经实用化的超导材料有明显优势。2016年高能所联合国内相关科研机构和企业，成立了“实用化高温超导材料产学研合作组”。合作组开展从超导机理、超导材料到超导磁体及高频腔技术，从基础科学到应用的全链条研究。合作组的十年研究目标如下：

1)将铁基超导材料的电流密度提高至目前水平的5~10倍，成本降低到20元/kAm，同时实现实用化超导线材的产业化；

2)将ReBCO等二代高温超导线材的造价降低到20元/kAm；

3)基于先进高温超导材料的高场超导磁体及超导腔技术产业化。

合作组在各成员单位的互相协作下，若干研究工作已经取得了突破性进展：铁基超导材料的短样电流密度已经突破了1450A/mm²，国际领先。研制的国内第一个高场超导二极磁体，在4.2K、两个孔径内最高磁场已经达到10.7T。国际上首次完成基于铁基超导材料的超导线圈研制及24T高场下性能测试，验证了铁基超导材料高场应用的可行性，如图13(a)所示。美国高场实验室对此结果发表专题评述，赞同“铁基超导是理想的应用候选材料，在高场下仍具有高载流能力，并且造价会比Nb₃Sn低4~5倍”。图13(b、c)是一个基于铁基超导材料的12T二极磁体概念设计，束流孔直径为40~50mm；场均匀度为10^-4。

图13 (a)铁基超导线材及线圈在高场下载流能力测试；12T铁基超导二极磁体磁力线分布(b)及截面结构(c)

高场超导磁体是未来高能量粒子加速器技术的核心装备，其对先进高温超导材料的性能及造价均提出了很高的要求。铁基超导材料在未来十年有希望取得突破性进展，达到粒子加速器等大科学工程超导技术“实用化”的要求：性价比得到数十倍的提升。同时有望带动整个超导技术的普及化，应用于可控核聚变、高场核磁谱仪及磁悬浮装置中，推动我国高新技术产业的发展与进步。

大型环形对撞机CEPC-SPPC的建设，将带动国内包括高场超导磁体、超导高频、高效功率源、大型低温系统、大尺度高速准直、超高真空、高精度磁铁、大规模电子学等十余个领域尖端技术的突破性发展及工业化水平的进步。这些技术在其他大科学装置及民用领域也有广泛需求，并有望培养一大批在各自领域占据国际领先位置的中国高科技企业，为国民经济的长期稳定发展及国家安全做出重大贡献。

致谢

本文作者在写作期间得到了娄辛丑、高杰等老师有益讨论和建议，以及CEPC-SppC团队沙鹏、翟纪元、周祖圣、康文、杨梅、王小龙、李少鹏、随艳峰、张敬如、白莎等同事提供的大量材料、校核和讨论，在此表示感谢。