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

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

Superconducting Materials and Applications参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、フェルミラブのNb3Sn加速器電磁石における10年間のR&Dを要約しており、短いおよび長い（最大4m）ジポールおよびクアッドロール磁石モデルにおける、信頼性の高いコイル製造、機械的構造設計、およびクエンチ性能を示している。主な結果として、4mコイルで短試験限度の90％の安定したクエンチ電流が達成され、高JcのRRP Nb3Snストランドを用いた技術のスケーリングが成功した。

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.

研究の動機と目的

• 高場加速器電磁石用に信頼性が高く再現性のあるNb3Snコイルの製造および機械的構造を開発する。
• 1mから4mまでの長さのコイルへのNb3Sn技術のスケーラビリティを実証する。
• 4.5 Kおよび1.9 Kでの長尺Nb3Sn磁石において、安定したクエンチ性能と場の品質を達成する。
• 将来の高エネルギー衝突機、特にLHCのアップグレードおよびミューオン衝突機へのNb3Snの実用的利用を可能にする。
• 加速器磁石の要件を満たす場の品質および安定性を満たすために、Nb3Snストランドの特性を最適化する。

提案手法

• Nb3Snラザフォードケーブルを用いて、6体の短尺ジポールモデル（HFDAシリーズ）および7体の短尺クアッドロールモデル（TQCシリーズ）を製作・試験した。
• 性能最適化のため、0.7–1.0 mm径のキーストーン型Nb3Snストランドを用い、1ケーブルあたり27本を採用し、絶縁およびキーストーン角度を最適化した。
• 2種類の機械的構造を採用した：長尺コイル用にアルミクラムプを用いたコラールレス設計と、ステンレス鋼皮を支持するコラールサポート構造。
• クエンチ電流、ピーク磁場、安定性を評価するために、4.5 Kおよび1.9 Kでトレーニングクエンチ試験を実施した。
• RRP-108/127 Nb3Snストランドを用いて4m長コイルの製作・試験を実施し、フラックスジャンプ抑制のためのクエンチヒーターを適用した。
• ブルークレー国立研究所（BNL）およびローレンス・バークレー国立研究所（LBNL）と協働して、3.6mおよび4m長のレーシングトラックおよびクアッドロールコイルのスケーリングを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4.5 Kおよび1.9 Kで、4m長のNb3Sn加速器磁石が安定したクエンチ性能を達成できるか？
• RQ2 長尺Nb3Snコイルのための信頼性と再現性を確保するための機械的構造およびコラール技術は何か？
• RQ3 ストランドの特性、例えばJcおよびフィラメント径（deff）が、長尺磁石における場の品質およびクエンチ安定性に与える影響は何か？
• RQ4 フラックスジャンプ不安定性が存在するにもかかわらず、長尺Nb3Snコイルの性能が短試験限度の90％に達するか？
• RQ5 コイルの製作および組立が、高場Nb3Sn磁石における導体損傷およびクエンチ挙動に与える影響は何か？

主な発見

• 4m長のNb3Snジポールコイル（LM02）は、クエンチヒーターによるフラックスジャンプ抑制後に、4.5 Kで短試験限度の約90％のクエンチ電流に達した。
• 2m長のPIT Nb3Snジポールコイル（LM01）は、4.5 Kで21.66 kAのクエンチ電流に達し、1m長コイルと同等の性能を示した。
• 4m長ジポールコイルは、内層の中央面ターンでクエンチに制限を受けており、局所的応力および加熱に敏感であることが示された。
• クエンチヒーターの活性化により、長尺コイルにおけるクエンチ性能が顕著に向上し、効果的なフラックスジャンプ抑制が実証された。
• コラールレスおよびコラールサポート構造の2種類の機械的構造が、再組立後も性能劣化なしに長尺Nb3Snコイルで成功裏に実証された。
• RRP-108/127 Nb3Snストランドは、Jc(12 T, 4.2 K) > 3 kA/mm²を達成し、高場運用を可能にするとともに、15 Tへのスケーリングを支援した。