[论文解读] 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 1

一句话总结

本论文展示了首个用于FCC-ee对撞机的超导Canted-Cosine-Theta（CCT）四极磁体原型，采用NbTi导线与石蜡浸渍技术，消除了训练效应。该磁体实现了优异的磁场品质，高阶多极矩低于1×10⁻⁴单位，并在首次升流时达到短样临界电流，验证了其在高精度最终聚焦应用中的潜力。

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.

研究动机与目标

• 为FCC-ee最终聚焦区域开发一种紧凑、高磁场品质的超导四极磁体。
• 缓解CCT磁体中导致非期望高阶多极矩的边缘效应。
• 通过石蜡浸渍技术消除超导磁体中的训练效应。
• 在低温条件（1.9 K）下，于实际运行条件下验证原型性能。
• 证明可通过调整导体布局来抑制磁体边缘处的磁场品质畸变。

提出的方法

• 设计并制造一个单孔道CCT四极磁体原型，采用8根独立绝缘的NbTi导线串联绕制。
• 实施一种定制导体布局，仅在一侧减少边缘效应，同时在另一侧保留标准布局以供对比。
• 开发一种专用石蜡浸渍装置，通过控制温度梯度和真空环境，防止气孔并确保机械完整性。
• 使用石蜡，其凝固时体积收缩约15%，通过内部储液腔和上下表面主动冷却进行补偿。
• 在旋转线圈杜瓦中于1.9 K和4.5 K下进行低温测试，以测量临界电流和磁场品质。
• 采用电感式无源印刷电路板（PCB）线圈进行傅里叶分析，以量化磁场分布中的多极矩。

实验结果

研究问题

• RQ1 石蜡浸渍是否能消除超导CCT四极磁体中的训练效应？
• RQ2 改进的导体布局是否能有效降低磁体边缘处的高阶多极矩含量？
• RQ3 该原型是否能在1.9 K下首次升流时达到短样临界电流，且无训练效应？
• RQ4 磁场品质从常温到低温条件下退化程度如何？是否仍能满足FCC-ee的要求？
• RQ5 导体布局是否可调节以抑制双孔道结构中的串扰？

主要发现

• 该磁体未表现出训练行为，在1.9 K下首次升流时即达到1000 A的短样临界电流，额定电流下余量超过20%。
• 磁场品质优异，1.9 K下高阶多极矩低于1×10⁻⁴单位，与仿真结果及常温测量结果一致。
• 经校正的一侧相比未校正侧，第三阶多极矩含量降低了90%（从−35.98降至−32.04单位）。
• 导体布局的改进成功抑制了边缘引起的多极矩，证明了通过几何结构实现磁场品质调控的可行性。
• 该原型在4.5 K下实现稳定运行，并达到该温度下的短样临界电流极限。
• 通过控制冷却梯度和内部储液腔的石蜡浸渍工艺，有效防止了气孔形成，并确保了完全的机械完整性。