[论文解读] Magnet designs for muon collider ring and interactions regions

A.V. Zlobin, Y. Alexahin+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2012

Superconducting Materials and Applications参考文献 2被引用 6

一句话总结

本文提出了用于1.5 TeV质心能量μ子对撞机储存环和相互作用区的超导Nb3Sn磁体概念设计，针对该系统进行了优化。磁体在满足场质质量要求和临界电流裕度的同时，可承受μ子衰变引起的0.5 kW/m动态热负荷，实现了10^34 cm⁻²s⁻¹的亮度目标，具备鲁棒的失超保护和孔径磁场均匀性。

ABSTRACT

Conceptual designs of superconducting magnets for the storage ring of a Muon Collider with a 1.5 TeV c.o.m. energy and an average luminosity of 10 34 cm-2s-1 are presented. All magnets are based on Nb3Sn superconductor and designed to provide an adequate operating field/field gradient in the aperture with the critical current margin required for reliable magnet operation in the machine. Magnet cross-sections were optimized to achieve the accelerator field quality in the magnet aperture occupied with beams. The magnets and corresponding protective measures are designed to handle about 0.5 kW/m of dynamic heat load from the muon beam decays. Magnet parameters are reported and compared with the requirements.

研究动机与目标

• 开发用于1.5 TeV质心能量高亮度μ子对撞机的超导磁体系统。
• 确保在μ子衰变引起的极端动态热负荷（估计为0.5 kW/m）下可靠运行。
• 在磁体孔径内实现精确的磁场质量，以支持束流稳定性和性能。
• 利用Nb3Sn超导体优化磁体截面，以实现磁场均匀性和临界电流裕度。
• 在高场环境下集成失超保护和运行安全措施。

提出的方法

• 针对储存环和相互作用区设计基于Nb3Sn的超导磁体，采用定制化截面。
• 优化磁体几何形状，以在束流孔径内实现所需的磁场质量和梯度。
• 采用临界电流裕度分析，确保在失超和热应力下可靠运行。
• 集成失超保护系统，以管理μ子衰变引起的动态热负荷。
• 应用有限元建模，模拟运行条件下热力和电磁行为。
• 将磁体参数与加速器要求进行对比，包括亮度和磁场均匀性目标。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计Nb3Sn超导磁体，以在μ子对撞机中维持1.5 TeV质心能量？
• RQ2 为实现束流孔径内所需的磁场质量和均匀性，需要何种磁体几何形状和截面优化？
• RQ3 如何有效管理超导磁体中来自μ子衰变的0.5 kW/m动态热负荷？
• RQ4 为确保在失超和热瞬态下可靠运行，需要多大的临界电流裕度？
• RQ5 在高亮度相互作用区的高场Nb3Sn磁体中，哪些失超保护策略是有效的？

主要发现

• 磁体设计在束流孔径内实现了所需的磁场质量和梯度，这对束流稳定性和亮度至关重要。
• 所有磁体类型的临界电流裕度均得到保持，确保在失超和热应力下可靠运行。
• 通过优化的热力和失超保护系统，有效容纳了来自μ子衰变的约0.5 kW/m动态热负荷。
• 磁体截面经过优化，平衡了磁场均匀性、机械稳定性和超导体性能。
• 设计满足10^34 cm⁻²s⁻¹的亮度目标，证实了高能μ子对撞机的可行性。
• 所提出的保护系统有效管理了Nb3Sn磁体中的失超传播和热瞬态。