[論文レビュー] Hybrid Rings of Fixed 8T Superconducting Magnets and Iron Magnets Rapidly Cycling between -2T and +2T for a Muon Collider

D. J. Summers|ArXiv.org|Aug 1, 2001

Superconducting Materials and Applications参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、固定8T超伝導磁石と急速サイクリング±2T鉄磁石を組み合わせたハイブリッドリング設計を提案し、ミューオンコライダーにおけるミューオン加速を実現する。2200 mの2つのリングで200 Hzおよび330 Hzのリムピングレートを活用することで、250 GeV/cから2400 GeV/cへの加速を86ラップで達成し、ミューオン生存率は82%に達する。損失を最小限に抑えるために最適化されたストランド状銅導体と薄いメトグラスラミネートを用いることで、平均4メガワットの消費電力で実現される。

ABSTRACT

Two 2200m radius hybrid rings of fixed superconducting magnets and iron magnets ramping at 200 Hz and 330 Hz are used to accelerate muons. Muons are given 25 GeV of RF energy per orbit. Acceleration is from 250 GeV/c to 2400 GeV/c and requires a total of 86 orbits in both rings; 82% of the muons survive. The total power consumption of the iron dipoles is 4 megawatts. Stranded copper conductors and thin Metglas laminations are used to reduce power losses.

研究の動機と目的

• 将来のミューオンコライダー向けに、RFキャビティおよび磁石ボアの要件を最小限に抑えたコスト効率が高く、高効率なミューオン加速システムの設計を目的とする。
• 短いミューオン寿命（2.2 μs）にもかかわらず、急速な加速を実現しながら、消費電力と技術的複雑性を最小限に抑える挑戦に応えること。
• 80%を超える高いミューオン生存率（80%以上）を達成すること。
• 200–330 Hzで急速サイクリングする鉄磁石の低渇電損失および抵抗損失を実現する可能性を示すこと。
• 磁石の幾何形状と材料（例：メトグラス、ストランド状銅）を最適化し、高周波サイクリングシステムにおける損失発生を低減すること。

提案手法

• 2200 mの半径を持つハイブリッドリングを2つ用い、交互に配置された8T超伝導磁石と±2T鉄磁石を、200 Hzおよび330 Hzで-2Tから+2Tへとサイクリングする。
• 1ラップあたり25 GeVのRFエネルギー増幅を用い、250 GeV/cから2400 GeV/cへの加速を86ラップで達成する。
• 磁石ボアサイズの制約を、磁場と運動量に基づいて特定するため、サジッタ式 $ S = R - \sqrt{R^2 - (\ell/2)^2} $ を適用し、$ R = p/(0.3B) $ を用いる。
• 損失を計算する際、$ W = B^2/(2\mu_0) \times \text{volume} $ を用い、抵抗損失は $ P = I^2R \int \cos^2(\theta) d\theta $ で、渦電流損失は $ P \propto f^{1.51} B^{1.87} $ を用い、コア材料に適用する。
• 急速サイクリングする鉄磁石における渦電流損失および抵抗損失を低減するため、ストランド状銅導体と薄いメトグラスラミネートを用いる。
• 86ラップにわたるミューオン生存確率を推定するため、生存確率式 $ \prod_{N=1}^{86} \exp\left[ -2\pi R m / ( (250 + 25N) c \tau ) \right] $ を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 固定8T超伝導磁石と急速サイクリング±2T鉄磁石を組み合わせたハイブリッドリング設計が、高繰り返しレートで効率的なミューオン加速を実現できるか。
• RQ2 2200 mのリング内で1ラップあたり25 GeVのエネルギー増幅を用い、250 GeV/cから2400 GeV/cに加速する際、得られる最大のミューオン生存率は何か。
• RQ3 ストランド状銅導体と低ヒステリシスラミネート（例：メトグラス）を用いた急速サイクリング鉄磁石で、どの程度の消費電力レベルを達成できるか。
• RQ4 200–330 Hzで動作する鉄磁石システムにおいて、渦電流損失および抵抗損失は周波数および磁束密度にどのように依存するか。
• RQ5 ピーク電力要求が高めでも、デューティーサイクル最適化により平均消費電力を4メガワットにまで低減できるか。

主な発見

• ハイブリッドリング設計により、250 GeV/cから2400 GeV/cへの86ラップの加速において、82%のミューオン生存率が達成された。1ラップあたり25 GeVのRFエネルギー増幅を用いた。
• 250 → 1600 GeV/cのリングは200 Hzで動作し、1200個の磁石を用い、1600 → 2400 GeV/cのリングは330 Hzで動作し、725個の磁石を用いる。加重平均リムピングレートは250 Hzである。
• 鉄磁石における抵抗損失および渦電流損失は、メトグラスラミネートを用いることで1磁石あたり9.5 kWにまで低減された。これは3% Si-Feを用いた場合の50.6 kWと比較して顕著な低減であり、平均総消費電力はわずか4メガワットにまで抑えられた。
• メトグラスでは1磁石あたりの渦電流損失が7.9 kWにまで低減された。これは3% Si-Feの49 kWと比較して顕著な低減であり、低コercivityおよび高抵抗率のおかげである。
• 6%のデューティーサイクルを実現したことで、ピーク電力が56メガワットに達するにもかかわらず、平均消費電力は4メガワットにまで抑えられ、連続運転が可能であることが示された。
• ストランド状銅導体および薄いメトグラスラミネートを用いることで、総損失が銅単体のI²R損失の2倍にまで抑えられ、高周波サイクリングにおいて管理可能な熱的負荷を実現した。