欧洲核子研究中心研制出11.3特斯拉超导磁体 为大型强子对撞机升级做准备

大型强子对撞机利用极其强大的磁场控制粒子束，使粒子以接近光速的速度运行并发生碰撞，从而帮助科学家研究物质的基本组成。目前，LHC在单个实验中每秒可以进行约4000万次碰撞，每次碰撞涉及的粒子数量约为60个。通过不断提高碰撞频率和粒子数量，科学家能够更有效地寻找罕见粒子及此前尚未观测到的物理现象。

CERN正在推进的下一阶段升级项目被称为高亮度大型强子对撞机（High-Luminosity LHC），预计在2030年之后开展新一轮实验。升级后的目标是让每次碰撞涉及的粒子数量提高至140至200个，同时保持每秒约4000万次的碰撞频率。所谓“高亮度”，指的正是单位时间内能够发生更多粒子碰撞，从而增加发现稀有物理现象的机会。

要实现这一目标，对撞机需要体积紧凑、性能可靠且磁场强度更高的磁体。传统LHC偶极磁体采用铌钛（NbTi）超导线圈，磁场强度可以达到8.3特斯拉，约为地球磁场强度的16.6万倍。不过，铌钛材料的性能已经接近其能够实现的磁场强度上限，因此新一代四极磁体开始采用铌锡（Nb₃Sn）超导材料，目标磁场强度接近12特斯拉。

这项技术升级面临的主要难题之一，是铌锡材料与传统铌钛材料具有截然不同的机械特性。铌钛具有较好的延展性，可以在形成超导材料后进行弯曲和绕制；铌锡则十分脆弱，一旦形成超导相，就难以承受线圈绕制过程中产生的较大机械应力。

为解决这一问题，研究人员采用了名为“先绕制、后反应”（Wind-and-React）的制造工艺。简单来说，就是先将尚未形成最终超导相的材料绕制成线圈，再通过高温热处理，使铌和锡发生反应，最终形成铌锡超导材料。

具体制造过程中，研究团队首先使用一根长达760米的超导线缆，将其绕制在中心骨架上，形成一组长度约7.2米、孔径150毫米的线圈。随后，线圈被放入惰性气体环境中进行严格控制的热处理。

热处理过程持续数天，温度依次升高，在约210摄氏度和400摄氏度阶段分别保持一段时间，最终达到约650摄氏度。经过这一过程，线缆中的铌和锡发生化学反应，形成具有超导性能的铌锡化合物。

由于形成后的铌锡材料非常脆弱，线圈在后续处理过程中必须格外小心。任何过度弯曲或机械变形，都可能损伤超导材料，影响磁体的电气性能和结构可靠性。

完成热处理后，研究人员还要使用液态环氧树脂对线圈进行处理，让树脂填充内部的空隙、裂缝和间隙，随后固化成坚硬的聚合物结构，以提高线圈的机械稳定性。

这项制造工程由CERN磁体工程师苏珊娜·伊斯基耶多·贝穆德斯（Susana Izquierdo Bermúdez）带领约60人的团队负责。她从2012年起参与新型磁体的研发，工作涉及线圈绕制测试、电磁设计、机械设计、制造以及性能验证等多个环节。

根据研究团队发表在《IEEE超导应用汇刊》（IEEE Transactions on Applied Superconductivity）上的研究成果，他们为LHC升级项目制造了超过120个用于4.5米长磁体的线圈，以及超过70个用于7.2米长磁体的线圈。每台四极磁体需要安装四个线圈。

整个项目最终生产了250个线圈，其中25个未能通过质量要求，原因包括人为操作失误，以及制造过程中出现的电气或机械性能缺陷。研究人员指出，这类超导磁体对制造精度的要求极高，即使是非常微小的瑕疵，也可能导致整个线圈无法使用。曾有一个线圈因为怀疑有一颗金属微粒夹在绕组与保护部件之间，可能影响其运行性能，最终不得不报废。

今年9月，团队完成了7.2米长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。目前磁体运行表现良好，研究人员已经开始继续制造备用线圈和磁体，以满足未来大型强子对撞机升级项目的需求。

这项成果并非单纯追求更高的磁场数字，而是意味着CERN已经将铌锡超导材料从实验室研发推进到大规模、严格质量控制的工程制造阶段。对于高亮度大型强子对撞机而言，更强的磁场将帮助研究人员更有效地控制粒子束，使对撞机能够在既定空间内实现更高的粒子碰撞能力，为2030年之后的粒子物理实验提供关键基础设施。

这项研究于2026年9月24日发表于《IEEE超导应用汇刊》。IEEE Spectrum在11月10日更新了报道，修正了每次实验中的粒子碰撞数量。