新材料与新工艺支撑起11.3特斯拉超导磁体的诞生
本文是IEEE Journal Watch系列文章之一，该系列与IEEE Xplore合作推出。
CERN的大型强子对撞机（LHC）利用极强的磁场使粒子以接近光速相互碰撞，将其分解为更小的组成部分以供研究。LHC目前已能在单次实验中实现约60次粒子碰撞，由此催生了本世纪一些最重要的粒子物理学发现。
但CERN的科学家们并未止步于此。他们目前正致力于升级LHC，为2030年后即将开展的新一轮实验做准备。这台升级版对撞机被称为“高亮度LHC”，将实现比此前更多的粒子碰撞次数。（“高亮度”一词指的是粒子碰撞次数的增加。）CERN的目标是让每次实验达到140到200次粒子碰撞，以提高观测到稀有粒子或现象的概率。要实现这一目标，对撞机需要配备极为紧凑且高质量的磁体。
在9月24日发表于《IEEE应用超导学报》的一项研究中，研究人员详述了他们为LHC制造这些新一代磁体的历程，这一过程需要新材料与新的制造工艺。
铌三锡超导磁体的研发
对撞机目前使用的磁体采用铌钛（NbTi）材质的线圈，磁场强度可达8.3特斯拉，约为地球磁场强度的16.6万倍。然而，这一磁场强度已是铌钛线圈所能达到的极限。为了打造LHC的新型磁体，科学家们正在研制由铌和锡（Nb?Sn）制成的线圈，其磁场强度可接近12特斯拉。
苏珊娜·伊斯基耶多·贝穆德斯是CERN的一名磁体工程师，带领着一支约60人的团队，自2012年起便参与这些磁体的研发工作。多年来，她参与了项目的诸多环节，包括早期绕线测试、电磁设计、机械设计、制造和测试。
伊斯基耶多·贝穆德斯指出，铌钛材质具有延展性，可以在超导化合物形成后进行绕线，而铌三锡则十分脆弱，无法承受绕线过程中产生的巨大应变。因此，这种磁体采用一种被称为“先绕后反应”的工艺进行制造：先将导线绕制成最终的线圈形状，随后再通过高温热处理形成铌三锡超导相。
具体而言，团队先取一根长760米、由铌锡合金丝构成的导线，将其缠绕在中心极柱上，形成一个长约7.2米、孔径为150毫米的线圈。
绕制完成后，线圈需在惰性气氛中接受可控热处理。温度随时间逐步升高，先在约210摄氏度和400摄氏度处保持平台期，最终升至约650摄氏度的峰值。在这一历时数天的过程中，线圈内的铌和锡发生反应，形成脆性的铌三锡超导相。
“反应完成后，线圈必须极为小心地处理，因为过度的形变可能损坏这种脆性超导材料，”伊斯基耶多·贝穆德斯解释道。
随后，团队会用液态环氧树脂对线圈进行平滑处理，填补其中的内部空隙、裂纹或缝隙，最终固化成一种刚性聚合物。
在这项研究中，伊斯基耶多·贝穆德斯及其同事详述了他们为LHC制造120多个用于4.5米长磁体的线圈，以及70多个用于7.2米长磁体的线圈的努力。每个四极磁体需要集成四个线圈。
团队总共制造了250个线圈，其中25个因人为失误或制造过程中的各种难题而宣告失败，这些线圈的电气或机械性能未能达标。伊斯基耶多·贝穆德斯表示，即便是最微小的瑕疵也可能导致一个线圈报废。曾有一次，一个线圈不得不被弃用，原因是一颗金属颗粒卡在线圈与某个保护部件之间，疑似干扰了其性能表现。
今年9月，伊斯基耶多·贝穆德斯的团队完成了对CERN 7.2米磁体的质量控制测试，确认其峰值磁场强度达到11.3特斯拉。这些磁体运行状况良好，团队目前正着手制造备用磁体。
伊斯基耶多·贝穆德斯表示，能够参与这项工作是一份巨大的荣誉与责任，这也是整个团队共同努力的成果。“从导体和磁体的研发，到制造、测试再到最终集成，这是一支国际化大团队历经多年的心血结晶。能够看到这项技术走到今天这一步，是我们所有人都深感自豪的事情，”她说。
