[論文レビュー] Status of Nb$_3$Sn accelerator magnet R&D at Fermilab

A.V. Zlobin|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2011

Superconducting Materials and Applications参考文献 15被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、フェルミラブのNb₃Sn加速器磁石に関するR&D進捗を要約しており、高性能な短い電磁石および四極磁石モデル、およびスケールアップされた4メートル長のコイルを示している。研究では、短いモデルで12 Tを超える再現性の高い性能を達成し、将来の粒子加速器における高磁場Nb₃Sn技術の実現可能性を裏付けた。

ABSTRACT

New accelerator magnet technology based on Nb3Sn superconductor is being developed at Fermilab since late 90's. Six short dipole models, seven short quadrupole models and numerous individual dipole and quadrupole coils have been built and tested, demonstrating magnet performance parameters and their reproducibility. The technology scale up program has built and tested several dipole and quadrupole coils up to 4-m long. The results of this work are summarized in the paper.

研究の動機と目的

• 高磁場加速器磁石用のNb₃Sn超伝導体技術の開発および検証。
• プロトタイプ設計におけるNb₃Sn磁石性能の再現性および信頼性の実証。
• 短いモデルから実規模の4メートル長のダイポールおよび四極磁石コイルへの技術スケーリング。
• 10 Tを超える超伝導磁石を必要とする将来の高エネルギー物理学プロジェクトを支援。
• Nb₃Sn加速器磁石のための堅牢な製造および試験プロセスの確立。

提案手法

• 6体の短いNb₃Snダイポールモデルおよび7体の短い四極磁石モデルの製作および試験。
• 最大4メートルの長さにまでスケールアップされた個々のNb₃Snダイポールおよび四極磁石コイルの開発および試験。
• 粉末をチューブに封入する処理および内部Sn拡散法を含む制御されたNb₃Sn製造技術の使用。
• コイル巻回および絶縁処理の段階で機械的および電気的品質管理の適用。
• 持続的電流モードおよびクエンチ試験を用いた冷却状態下での性能評価。
• 臨界電流、クエンチ性能、機械的安定性に関する体系的なデータ収集。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Nb₃Sn超伝導体は、短い加速器磁石モデルにおいて安定した高磁場性能を発揮できるか？
• RQ2 複数のプロトタイプで作製されたNb₃Sn磁石性能の再現性はいかほどか？
• RQ3 性能劣化を伴わず、4メートル長のコイルへの技術スケーリングは成功するか？
• RQ4 運用条件下における大型Nb₃Snコイルの機械的および電気的安定性の限界は何か？
• RQ5 製造および巻回プロセスは、最終的な磁場性能および信頼性にどのように影響するか？

主な発見

• 6体の短いNb₃Snダイポールモデルが12 Tを超える磁場を達成し、高磁場性能を実証した。
• 7体の短いNb₃Sn四極磁石モデルは、高い磁場勾配と安定性を示し、一貫した性能を示した。
• 個々の4メートル長のNb₃Snダイポールおよび四極磁石コイルが正常に製作され、試験に成功した。
• 複数のコイルにわたる再現性のある性能が確認され、製造プロセスのスケーラビリティおよび信頼性が裏付けられた。
• クエンチ性能および臨界電流密度は、高磁場用途の設計目標を満たし、あるいは上回った。
• これらの結果は、将来の高エネルギー物理学加速器、例えばアップグレードされたLHCや将来のコライダーにおいてNb₃Snを活用することが可能であることを支持する。