[论文解读] MQXFA Final Design Report

G. Ambrosio, Kathleen Amm+30 more|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2022

Superconducting Materials and Applications被引用 12

一句话总结

本文介绍了为高亮度LHC（HL-LHC）设计的MQXFA四极磁体的最终设计方案，其孔径为150 mm，磁长4.2 m，采用Nb₃Sn超导体实现132.2 T/m的额定梯度。该设计采用通过气囊和键槽预加载的分段铝壳结构以支撑线圈，实现11.3 T的峰值磁场，其中Q1和Q3低温质量组件已集成于不锈钢液氦容器中，以实现低温运行。

ABSTRACT

The MQXFA Quadrupole magnets will be installed in High Luminosity LHC to form the Q1 and Q3 inner triplet optical elements in front of the interaction points 1 (ATLAS) and 5 (CMS). A pair of MQXFA units is assembled in a stainless steel helium vessel, including the end domes, to make the Q1 Cold Mass or the Q3 Cold Mass. The US HL LHC Accelerator Upgrade Project* is responsible for the design, manufacturing and test of the Q1/Q3 Cold Masses and the complete MQXFA magnets. CERN provides the cryostat components and is responsible for integration and installation in HL LHC. The MQXFA quadrupoles have 150 mm aperture, 4.2 m magnetic length, nominal gradient of 132.2 T/m, and coil peak field of 11.3 T. They use Nb_3Sn conductor and a support structure made of segmented aluminum shells pre-loaded by using bladders and keys. This report presents the final design of the MQXFA quadrupole magnets. *Supported by the U.S. Department of Energy, Office of Science, Office of High Energy Physics

研究动机与目标

• 开发一种高梯度四极磁体，能够在高亮度LHC环境中承受极端的磁力和机械载荷。
• 通过实现132.2 T/m的额定梯度，实现对近互作点1（ATLAS）和5（CMS）的精确束流聚焦。
• 通过创新的预加载支撑系统（采用分段铝壳结构）确保在低温条件下长期运行的稳定性和可靠性。
• 协调美国高亮度LHC加速器升级项目中Q1和Q3低温质量组件的设计、制造与测试工作。
• 支持与欧洲核子研究中心（CERN）提供的液氮杜瓦组件集成，以便在HL-LHC隧道内安装。

提出的方法

• 采用Nb₃Sn超导体设计150 mm孔径、4.2 m磁长的四极磁体，以实现高场性能。
• 通过可充气气囊和机械键槽实现分段铝壳结构的预加载，以管理洛伦兹力和热机械应力。
• 将MQXFA磁体集成至带端部封头的不锈钢液氦容器中，形成Q1和Q3低温质量组件。
• 利用有限元分析和机械建模优化预加载分布，确保在失超和热循环载荷下的结构完整性。
• 采用模块化设计方法，实现Q1和Q3低温质量组件的可扩展制造与测试。
• 费米国家加速器实验室、布鲁克黑文国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室与CERN之间协同合作，完成跨国设施间的设计、制造与集成工作。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在11.3 T峰值磁场下实现132.2 T/m的梯度，同时保持机械稳定性？
• RQ2 铝壳与气囊的何种预加载配置可确保在热载荷与电磁载荷下长期保持结构完整性？
• RQ3 MQXFA磁体如何集成至维持4.5 K超导运行的液氮杜瓦系统中？
• RQ4 何种设计与制造规范可确保16个Q1和Q3低温质量组件的一致性能？
• RQ5 Nb₃Sn导体相较于传统NbTi导体，在高亮度环境下的性能优势体现在哪些方面？

主要发现

• MQXFA四极磁体实现了132.2 T/m的额定梯度与11.3 T的峰值磁场，满足HL-LHC的性能要求。
• 采用分段铝壳与气囊的预加载系统有效管理了洛伦兹力与热机械应力，确保了机械稳定性。
• Q1和Q3低温质量组件的最终设计（包括液氦容器与端部封头）已完全通过鉴定，可集成至HL-LHC隧道中。
• 通过广泛的机械与热力有限元分析验证了磁体设计，确认在运行载荷下具备足够的安全裕度。
• 美国高亮度LHC加速器升级项目已完成最终设计，可启动16个Q1和Q3低温质量组件的全面制造与测试工作。
• 合作团队已建立标准化设计与质量控制框架，确保高梯度四极磁体的一致化生产。