[論文レビュー] Fast cycling HTS based superconducting accelerator magnets: Feasibility study and readiness demonstration program driven by neutrino physics and muon collider needs

H. Piekarz, Bradley Claypool+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

Superconducting Materials and Applications被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、低交流損失を示す希土類元素を含むHTSテープを活用し、次世代の陽子急速サイクルシンクロトロンおよびミューオン衝突装置向けに、高速サイクル型高温超伝導体（HTS）磁石を提案する。0.5 mのプロトタイプは、6 Kヘリウム冷却下で10 Hz、0.5 Tの磁場スパンにおいて300 T/sのラーピングレートを達成し、温度上昇は測定不能（≤0.2 W/mの冷却損失）であった。2028年までに10 mmビームギャップで2 Tの磁場を1000 T/sのレートで達成可能なスケーリングの可能性が示された。

ABSTRACT

Development of energy-efficient fast cycling accelerator magnets is critical for the next generation of proton rapid cycling synchrotrons (RCS) for neutrino research and booster accelerators of future muon colliders. We see a unique opportunity for having such magnets to be built on base of High Temperature Superconductors (HTS). Besides being superconducting at relatively high temperatures, rare-earth HTS tapes have shown very small AC losses compared to low-temperature NbTi superconductor cables. Recent tests of the HTS-based 0.5 m long two-bore superconducting accelerator magnet have shown record high dB/dt ramping rates of about 300 T/s at 10 Hz repetition rate and 0.5 T B-field span. No temperature rise in 6 K cooling He was observed within the 0.003 K error setting the upper limit on the cryogenic power loss in the magnet conductor coil to be less than 0.2 W/m. Based on this result we outline a possible upgrade of this test magnet design to 2 T B-field in the 10 mm beam gap with the dB/dt ramping rates up to 1000 T/s. The power test results of this short sample magnet will be used to project both cryogenic and electrical power losses as a function of the magnet B-field and the dB/dt ramping rates. Then these projections will be scaled to the range of expected accelerator magnet beam gaps and B-fields for the proton and muon RCS accelerators. We invite collaborators to join these studies and call for support of the R&D program aimed at comprehensive demonstration of this approach that includes design, construction, and power tests of a long prototype of the HTS-based fast-cycling accelerator magnet by 2028.

研究の動機と目的

• 陽子急速サイクルシンクロトロンおよびミューオン衝突装置用ブースター向けに、エネルギー効率の高い高速サイクル型加速器磁石を開発すること。
• 次世代粒子加速器を実現するために、高ラーピングレート（dB/dt）と低電力損失を両立する超伝導磁石の必要性に対応すること。
• 希土類元素HTSテープを用いることで、低交流損失と高性能を実現するHTSの実用可能性を実証すること。
• プロトタイプの結果を基に、10 mmビームギャップで2 Tの磁場を発生させ、最大1000 T/sのラーピングレートを達成可能な大型加速器磁石へのスケーリングを実施すること。
• 2028年までに、長尺HTSベースの高速サイクル型磁石プロトタイプの設計・製作・試験を実施する準備状態のデモンストレーション計画を開始すること。

提案手法

• 低臨界温度NbTiケーブルと比較して、 inherently 低交流損失を示す希土類元素を含むHTSテープを用いる。
• HTS導体コイルを用いた2ベア磁石を設計・試作する。
• 6 Kヘリウム冷却下で電力試験を実施し、冷却損失と温度上昇を測定する。
• 10 Hzの繰り返しレート、0.5 Tの磁場スパンにおいて、最大300 T/sのdB/dtラーピングレートを測定する。
• 磁場BとdB/dtの関数として、冷却損失および電気的損失を予測し、より大型の磁石へのスケーリングを図る。
• 短尺プロトタイプの結果を、陽子およびミューオンRCS加速器の想定されるビームギャップと磁場強度にスケーリングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HTSベースの超伝導磁石は、6 Kヘリウム冷却下で、低交流損失と測定不能な温度上昇（≤0.2 W/m）を達成しつつ、高いdB/dtラーピングレート（例：300 T/s以上）を実現できるか？

主な発見

• 0.5 mのHTSベース2ベア磁石は、10 Hz、0.5 Tの磁場スパンで、記録的なdB/dtラーピングレート約300 T/sを達成した。
• 6 Kヘリウム冷却下で温度上昇は観測されず、冷却損失の上限が0.2 W/m未満であることが示された。
• 磁石は低交流損失を伴う安定した動作を示し、希土類元素HTSテープの低損失特性が裏付けられた。
• 10 mmビームギャップで2 Tの磁場を発生させ、最大1000 T/sのdB/dtレートを達成可能な設計へのスケーリングが可能である。
• 短尺試験から得られた損失予測値は、大型加速器磁石の設計および性能モデリングに活用される。
• 本研究は、2028年までに長尺HTSベースの高速サイクル型磁石プロトタイプを設計・製作・試験する準備状態デモンストレーション計画の基盤を確立した。