『宇宙』200年前意外发现电让指南针偏转，竟是通向宇宙最深奥秘的大门( 二 ) |天文|物理|

四极磁铁聚焦光束
施加单向力的磁铁可以很好地使粒子束向特定方向弯曲，但它们不能保持粒子束的形状。如果把光束放在偶极子里，任由它自己摆布，它就会分崩离析。就像气体分子的集合一样，粒子束有温度，这种随机的能量会导致粒子在加速器中自然漂移。如果没有把粒子束带回一起，那么它们就会撞到它们正在循环的真空管壁上。因此，科学家们使用四极磁铁来重新聚焦这些任性的粒子，并将它们带回折叠中。

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（上图所示）四极磁体，在粒子加速器中，如果粒子偏离集中束太远，极就会将粒子推到一起。四极聚焦只在一个平面上，所以为了从两侧挤压加速器光束，这些磁铁通常是一个接一个地堆叠起来，每个磁铁都相对于前一个旋转90度。通过这种方式，束流粒子在穿过连续的磁铁时会在两个方向上被推到一起。图片：Jerald Pinson
顾名思义，四极杆有四个交替的极，它们会产生一种特殊的磁场，可以将粒子重新聚集在一起，就像透镜可以将光线弯曲到一个点上一样。单个四极杆将一束光束聚焦在一个平面上，例如四极杆在穿过加速器时可以将光束的两侧向内挤压，但-类似于Play-Doh块在两边挤压在一起时的反应方式——光束将朝着另一个方向散焦。解决方案是将多个方向交替的四极杆串在一起，光束穿过其中一个，在水平方向上被挤压。

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然后它穿过下一个，在垂直方向上被挤压，随着每一次连续的挤压，它都会变得聚焦。净效应是一束稳定的粒子束，当它们绕着加速器旋转时，它们来回嘎嘎作响。同样，四极杆也可以使光束散焦，当粒子通过加速器时，有时光束的密实程度稍低一些会更好，从而降低粒子相互干扰的可能性。当光束通过磁场强度较弱的四极杆时，能首先在上下方向上展开，然后在左右方向上展开，以此类推，直到它们被适当地散焦。
六极磁铁校正
就像偶极磁铁可以使光束弯曲但不能保持聚焦一样，四极磁铁可以使粒子聚焦，但不是全部聚焦到同一位置，因为构成光束的粒子的能量略有不同。不幸的是，对于所有的光束能量，四极磁体的行为并不完全相同，与低能粒子相比，高能粒子受四极磁场的影响较小。结果是高能粒子和低能粒子沿着光束路径聚焦在不同的点上，这类似于水滴弯曲不同颜色的光以产生令人惊叹的彩虹方式。

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在四极磁体中，这种“色差”会导致粒子在加速器中来回反弹的速度不同，这一现象被加速器科学家称为色度。在许多情况下，为了看到想要的物理效果，必须校正色度，所以科学家们使用六极杆来实现这一点。当正确放置在加速器中时，这些六极磁铁会迫使较高能量的粒子重新与光束的其余部分对准。
八极磁体提高稳定性
我们都有过这样的时刻：当你走在走廊上时，有人转过拐角，直接走到了你的面前，你们两个人都朝一个方向移动，然后又朝另一个方向移动，然后又返回，试图避免碰撞，这种相遇似乎会持续很长时间。很难超过另一个人的原因是：相似的移动速度造成。如果一个人走得更慢，或者只是停留在原地，那么这种行为就会被抑制。如果粒子束都以相同的频率振荡，它们可以表现出类似的集体行为。

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为了稳定这种情况，可以使用称为八极的八极磁铁来混合稳定粒子的频率，科学家称由此产生的稳定为“朗道阻尼” ，它为粒子束提供了对一些不稳定行为的天然免疫力。不幸的是，高阶多极磁铁增加的稳定性和增强的聚焦是有代价的：这些磁铁会产生有害的共振，降低储存粒子所允许的位置和能量的整体范围。如果粒子发现自己超出了这个所谓的‘动态孔径’范围，那么它们将从加速器中消失。