[論文レビュー] The first superconducting final focus quadrupole prototype of the FCC-ee study

A. Thabuis, M. Koratzinos+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 6, 2024

Superconducting Materials and Applications被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、FCC-ee加速器用に、NbTi線とパラフィンワックス被浸法を用いてトレーニング効果を排除した、初めての超伝導性ケントドコサインス・サイン（CCT）四極磁石プロトタイプを提示する。この磁石は、1次高次モーメントが1×10⁻⁴ユニット未満であり、優れた磁場品質を達成しており、最初のランプで短試料臨界電流に到達し、高精度の最終焦点応用における可能性を裏付けた。

ABSTRACT

A first FCC final focus quadrupole prototype has been designed, constructed and tested. The prototype is of a Canted Cosine Theta type using a NbTi conductor with novel features like edge compensation and wax impregnated. It has an aperture of 40 mm and a field gradient of 100 T/m. In this paper we recall the main design features and report on the test results on field quality and the powering campaign.

研究の動機と目的

• FCC-ee最終焦点領域向けに、コンactで高磁場品質を実現する超伝導性四極磁石の開発。
• CCT磁石における端効果が引き起こす望ましくない高次モーメントを低減すること。
• パラフィンワックス被浸法を用いて超伝導磁石のトレーニング効果を完全に排除すること。
• 低温（1.9 K）条件下で実際の運用条件を想定したテストを通じてプロトタイプの性能を検証すること。
• 磁石端部における磁場品質の歪みを抑えるために導体レイアウトを調整可能にする手法の実証。

提案手法

• 8本の個別に絶縁されたNbTi線を直列に巻回した単一アパーチャーCCT四極磁石プロトタイプの設計および製作。
• 片側にエッジ効果を低減するように最適化された導体レイアウトを実装し、他方の側は標準レイアウトを維持して比較を可能にした。
• 空気を含まず、機械的整合性を確保するための温度勾配と真空を制御した独自のワックス被浸装置の開発。
• 固化時の体積収縮率15%を示すパラフィンワックスを用い、内部リザーバーと上下からの能動的冷却により補償した。
• 回転コイル冷凍槽を用いて1.9 Kおよび4.5 Kで低温試験を実施し、臨界電流と磁場品質を測定。
• 磁場分布のフーリエ解析に誘導性被動PCBコイルを用いて、モーメントの定量的評価を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パラフィンワックス被浸法は、超伝導性CCT四極磁石におけるトレーニング効果を完全に排除できるか？
• RQ2 修正された導体レイアウトは、磁石端部における高次モーメント成分を効果的に低減できるか？
• RQ3 プロトタイプは1.9 Kで最初のランプ時にトレーニングなしに短試料臨界電流に到達できるか？
• RQ4 磁場品質は常温から低温に移行する際にどの程度劣化するか。FCC-ee要件を満たし続けることができるか？
• RQ5 導体レイアウトを調整することで、二重アパーチャー構成におけるクロストークを抑制できるか？

主な発見

• 磁石はトレーニング行動を示さず、1.9 Kで最初のランプ時に短試料臨界電流1000 Aに到達し、定格電流で20%以上の余裕を示した。
• 磁場品質は優れており、1.9 Kで高次モーメントが1×10⁻⁴ユニット未満であり、シミュレーションおよび室温測定結果と整合的であった。
• 補正処理を施した側では、非補正側（−35.98から−32.04ユニット）に比べ、3次モーメント成分が90%低減された。
• 導体レイアウトの変更により、エッジ由来のモーメントが効果的に抑制され、幾何学的形状による磁場品質の調整可能性が実証された。
• 4.5 Kでも安定した動作が達成され、その温度で短試料臨界電流の限界に到達した。
• 制御された冷却勾配と内部リザーバーを用いたワックス被浸プロセスにより、空洞の発生を防止し、完全な機械的整合性を確保した。