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

H. Piekarz, Bradley Claypool+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

Superconducting Materials and Applications被引用 7

一句话总结

本文提出一种基于快速循环高温超导（HTS）的超导加速器磁体，用于下一代质子快速循环同步加速器和缪子对撞机，利用具有低交流损耗的稀土HTS带材。0.5米长的原型机在10 Hz重复频率下实现了300 T/s的升压速率，且在6 K液氦冷却下无明显温升（≤0.2 W/m的低温损耗），证明了到2028年实现10 mm束流间隙中2 T磁场、最高达1000 T/s升压速率的可扩展性。

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.

研究动机与目标

• 为质子快速循环同步加速器和缪子对撞机增强器开发能效更高的快速循环加速器磁体。
• 解决超导磁体在高升压速率（dB/dt）和低功耗损耗方面的需求，以支持下一代粒子加速器的发展。
• 证明利用稀土带材的高温超导（HTS）技术可实现低交流损耗和高性能。
• 将原型机结果扩展至全尺寸加速器磁体，实现10 mm束流间隙中2 T磁场、最高达1000 T/s的升压速率。
• 启动准备度演示计划，目标是在2028年前设计、制造并测试一个长尺寸HTS基快速循环磁体原型。

提出的方法

• 采用与低温NbTi电缆相比具有固有低交流损耗的稀土基HTS带材。
• 设计并测试一个使用HTS导体线圈的0.5米长双孔超导磁体。
• 在6 K液氦冷却条件下进行功率测试，以测量低温功耗和温升。
• 在10 Hz重复频率和0.5 T磁场范围下，测量最高达300 T/s的dB/dt升压速率。
• 将功耗（低温和电功耗）投影为磁场B和dB/dt的函数，以支持向更大磁体的扩展。
• 将短尺寸原型的结果扩展至质子和缪子RCS加速器的预期束流间隙和磁场强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 HTS基超导磁体能否在6 K液氦冷却下实现高dB/dt升压速率（例如>300 T/s），同时保持极低交流损耗且无明显温升？

主要发现

• 0.5米长的HTS基双孔磁体在10 Hz频率和0.5 T磁场范围内实现了约300 T/s的创纪录dB/dt升压速率。
• 在6 K液氦冷却下未观测到温升，低温功耗上限低于0.2 W/m。
• 磁体表现出稳定运行且交流损耗极低，证实了稀土HTS带材的低损耗潜力。
• 结果支持将设计扩展至10 mm束流间隙中实现2 T磁场、最高达1000 T/s升压速率。
• 基于短样品测试的功耗预测将为全尺寸加速器磁体的设计与性能建模提供依据。
• 本研究为准备度演示计划奠定了基础，目标是在2028年前建成并测试一个长尺寸HTS基快速循环磁体原型。