[논문 리뷰] Fast cycling HTS based superconducting accelerator magnets: Feasibility study and readiness demonstration program driven by neutrino physics and muon collider needs

H. Piekarz, Bradley Claypool외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 11.

Superconducting Materials and Applications인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 빈티지-티에이치에스 테이프를 활용해 저손실 고주기 손실을 갖는 고온초전도체(HTS) 기반 초전도 가속기 전자석을 제안하며, 향후 세대의 양성자 빠른 순환 싱로트론 및 뮤온 충돌기용으로 응용한다. 0.5 m 길이의 프로토타입은 6 K 헬륨 냉각 조건에서 10 Hz 반복 주기로 300 T/s의 램핑 속도를 달성했으며, 측정 가능한 온도 상승이 없었고(≤0.2 W/m의 냉각 손실), 2028년까지 10 mm 빔 간극에서 2 T 자기장과 최대 1000 T/s 램핑 속도를 달성하기 위한 스케일업 가능성을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 빠른 순환 싱로트론과 뮤온 충돌기 부스터용 에너지 효율적인 빠른 순환 가속기 전자석을 개발한다.
• 다음 세대 입자 가속기의 실현 가능성을 높이기 위해 초전도 전자석의 고속 램핑 속도(dB/dt)와 낮은 전력 손실을 동시에 확보하는 데 도전한다.
• 희토류 HTS 테이프를 활용해 저손실 및 고성능을 달성할 수 있음을 입증한다.
• 프로토타입 성과를 바탕으로 10 mm 빔 간극에서 2 T 자기장을 달성하고, 최대 1000 T/s 램핑 속도를 확보할 수 있는 전체 규모의 가속기 전자석으로의 스케일업을 수행한다.
• 2028년까지 장거리 HTS 기반 빠른 순환 전자석 프로토타입을 설계, 제작, 시험할 수 있는 준비도 프로그램을 시작한다.

제안 방법

• 저온 NbTi 케이블에 비해 내재적으로 낮은 AC 손실을 갖는 희토류 기반 HTS 테이프를 활용한다.
• HTS 도체 코ils를 사용한 0.5 m 길이의 이중 빔 초전도 전자석을 설계 및 시험한다.
• 6 K 헬륨 냉각 조건에서 전력 시험을 실시해 냉각 손실과 온도 상승을 측정한다.
• 10 Hz 반복 주기와 0.5 T 자기장 범위에서 최대 300 T/s의 dB/dt 램핑 속도를 측정한다.
• 자기장 B와 dB/dt의 함수로 전력 손실(냉각 및 전기적 손실)을 추정하여 더 큰 전자석으로의 스케일업을 위해 활용한다.
• 단순 프로토타입의 결과를 바탕으로 양성자 및 뮤온 RCS 가속기의 예상 빔 간극과 자기장 강도로의 확장 가능성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HTS 기반 초전도 전자석은 6 K 헬륨 냉각 조건에서 고속 램핑 속도(dB/dt, 예: >300 T/s)를 달성하면서도 저손실 및 측정 가능한 온도 상승 없이 작동할 수 있는가?

주요 결과

• 0.5 m 길이의 HTS 기반 이중 빔 전자석은 10 Hz 반복 주기와 0.5 T 자기장 범위에서 기록적인 dB/dt 램핑 속도 약 300 T/s를 달성했다.
• 6 K 헬륨 냉각 조건에서 온도 상승이 관측되지 않아 냉각 손실의 상한선이 0.2 W/m 이하임을 확인했다.
• 전자석은 낮은 AC 손실로 안정적으로 작동했으며, 희토류 HTS 테이프의 저손실 잠재력이 입증되었다.
• 결과는 10 mm 빔 간극에서 2 T 자기장을 달성하고 dB/dt 속도를 최대 1000 T/s까지 확장 가능함을 뒷받침한다.
• 단순 샘플 시험에서 유도된 전력 손실 예측은 전체 규모의 가속기 전자석의 설계 및 성능 모델링에 기여할 것이다.
• 이 연구는 2028년까지 장거리 HTS 기반 빠른 순환 전자석 프로토타입을 제작 및 시험할 수 있는 준비도 프로그램을 위한 기반을 마련한다.