[논문 리뷰] Status of Nb$_3$Sn accelerator magnet RD at Fermilab

A.V. Zlobin|arXiv (Cornell University)|2011. 08. 10.

Superconducting Materials and Applications참고 문헌 7인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 페르미랩의 10년에 걸친 Nb3Sn 가속기 electromagnets에 대한 연구 및 개발을 요약하며, 짧은 길이의 코ils와 4m까지 연장된 디폴 및 쿼드루플의 경우에 대해 견고한 코일 제조, 기계적 구조 설계, 그리고 쐐기 성능을 입증한다. 주요 결과로는 4m 코일에서 단순 샘플 한계의 90% 수준의 안정적인 쐐기 전류를 달성하였고, 고Jc RRP Nb3Sn 스트랜드를 사용하여 기술의 스케일업에 성공하였다.

ABSTRACT

New accelerator magnet technology based on Nb 3 Sn 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.

연구 동기 및 목표

• 고자기장 가속기 마그넷을 위한 신뢰성 있고 재현 가능한 Nb3Sn 코일 제조 및 기계적 구조 설계를 개발한다.
• 1m에서 4m 길이의 코일로의 Nb3Sn 기술의 확장 가능성을 입증한다.
• 4.5 K 및 1.9 K에서 장수명 Nb3Sn 마그넷의 안정적인 쐐기 성능과 자기장 품질을 확보한다.
• 미래의 고에너지 충돌기, 특히 LHC 업그레이드 및 뮤온 충돌기에서의 Nb3Sn 실용적 적용을 가능하게 한다.
• 가속기 마그넷 요구사항을 충족시키기 위해 Nb3Sn 스트랜드의 특성을 최적화하여 자기장 품질과 안정성을 확보한다.

제안 방법

• Nb3Sn 루더퍼드 케이블을 사용하여 6개의 짧은 디폴 모델(HFDA 시리즈)과 7개의 짧은 쿼드루플 모델(TQC 시리즈)을 제작하고 시험하였다.
• 성능 최적화를 위해 0.7–1.0 mm 지름의 키톤드 Nb3Sn 스트랜드와 27줄의 케이블을 사용하였으며, 절연 및 키톤 각도를 최적화하였다.
• 두 가지 기계적 구조를 사용: 장수명 코일에 적합한 알루미늄 클램프를 사용한 콜라르 없는 설계와 콜라르 지지형 스테인리스 강 피복을 사용한 설계.
• 4.5 K 및 1.9 K에서 트레이닝 쐐기 시험을 실시하여 쐐기 전류, 최대 자기장 및 안정성을 평가하였다.
• RRP-108/127 Nb3Sn 스트랜드를 사용하여 4m 길이의 코일 제작 및 시험을 수행하였으며, 플럭스 점프 억제를 위한 쐐기 히터를 적용하였다.
• BNL 및 LBNL와 협력하여 3.6m 및 4m 길이의 레이스트랙 및 쿼드루플 코일의 스케일업을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 4.5 K 및 1.9 K에서 4m 길이의 Nb3Sn 가속기 마그넷이 안정적인 쐐기 성능을 확보할 수 있는가?
• RQ2 장수명 Nb3Sn 코일에 대해 견고성과 재현 가능성을 보장하는 기계적 구조 및 콜라링 기술은 무엇인가?
• RQ3 Jc 및 필라멘트 크기(deff) 등의 스트랜드 특성이 장수명 마그넷의 자기장 품질과 쐐기 안정성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 플럭스 점프 불안정성에도 불구하고 장수명 Nb3Sn 코일의 성능이 단순 샘플 한계의 90%에 도달할 수 있는가?
• RQ5 코일 제조 및 조립 과정이 고자기장 Nb3Sn 마그넷의 도체 손상과 쐐기 거동에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 4m 길이의 Nb3Sn 디폴 코일(LM02)은 쐐기 히터를 사용하여 플럭스 점프를 억제한 후 4.5 K에서 단순 샘플 한계의 약 90% 수준의 쐐기 전류를 달성하였다.
• 2m 길이의 PIT Nb3Sn 디폴 코일(LM01)은 4.5 K에서 21.66 kA의 쐐기 전류를 달성하였으며, 1m 길이의 코일과 동일한 성능을 보였다.
• 4m 길이의 디폴 코일은 내층 중앙면 회로에서의 쐐기로 인해 제한되었으며, 국소적 응력과 가열에 민감함을 시사하였다.
• 쐐기 히터 작동으로 인해 장수명 코일의 쐐기 성능이 크게 향상되었으며, 효과적인 플럭스 점프 억제가 가능함을 입증하였다.
• 콜라르 없는 설계와 콜라르 지지형 설계의 두 가지 기계적 구조가 성공적으로 검증되었으며, 재조립 후 성능 저하 없이 작동하였다.
• RRP-108/127 Nb3Sn 스트랜드는 Jc(12 T, 4.2 K) > 3 kA/mm²를 달성하여 고자기장 작동을 가능하게 하였고, 15T로의 확장 가능성도 뒷받침하였다.