[论文解读] 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 5

一句话总结

本文总结了费米实验室在Nb3Sn加速器磁体方面长达十年的研发工作，展示了在短样和长达4米的二极磁体与四极磁体模型中，线圈制造、机械结构设计以及失超性能的稳健性。关键成果包括在4米线圈中实现90%短样极限失超电流的稳定性能，以及利用高-Jc RRP Nb3Sn丝材成功实现技术的规模化扩展。

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.

研究动机与目标

• 开发可靠、可重复的Nb3Sn线圈制造工艺与机械结构，用于高场加速器磁体。
• 证明从1米到4米长线圈的Nb3Sn技术可扩展性。
• 在4.5 K和1.9 K下实现长Nb3Sn磁体的稳定失超性能与磁场质量。
• 推动Nb3Sn在未来的高能对撞机中的实际应用，包括LHC升级和缪子对撞机。
• 优化Nb3Sn丝材性能，以满足加速器磁体对磁场质量与稳定性的要求。

提出的方法

• 使用Nb3Sn Rutherford电缆制造并测试了六个短二极磁体模型（HFDA系列）和七个短四极磁体模型（TQC系列）。
• 采用带凹槽的Nb3Sn丝材，直径为0.7–1.0 mm，每根电缆含27根丝材，绝缘层与凹槽角度经优化以提升性能。
• 采用两种机械结构：无夹箍设计（使用铝夹具）和带夹箍的不锈钢护套结构，用于长线圈。
• 在4.5 K和1.9 K下进行训练失超测试，以评估失超电流、峰值磁场与稳定性。
• 使用RRP-108/127 Nb3Sn丝材完成4米长线圈的制造与测试，包括通过失超加热器抑制磁通跳跃。
• 与布鲁克黑文国家实验室（BNL）和洛斯阿拉莫斯国家实验室（LBNL）合作，开展3.6米和4米长的跑道形与四极磁体线圈的规模化制造。

实验结果

研究问题

• RQ1 Nb3Sn加速器磁体能否在4.5 K和1.9 K下实现4米长线圈的稳定失超性能？
• RQ2 何种机械结构与夹箍技术可确保长Nb3Sn线圈的鲁棒性与可重复性？
• RQ3 丝材性能参数（如Jc和等效丝径deff）如何影响长磁体的磁场质量与失超稳定性？
• RQ4 尽管存在磁通跳跃不稳定性，长Nb3Sn线圈的性能是否可达到其短样极限的90%？
• RQ5 线圈制造与装配工艺对高场Nb3Sn磁体中导体损伤与失超行为有何影响？

主要发现

• 4米长Nb3Sn二极磁体线圈（LM02）在通过失超加热器抑制磁通跳跃后，于4.5 K下实现了约短样失超电流极限90%的性能。
• 2米长PIT Nb3Sn二极磁体线圈（LM01）在4.5 K下达到21.66 kA的失超电流，性能与1米长线圈相当。
• 4米长二极磁体线圈的性能受限于内层中平面线圈的失超，表明其对局部应力与加热敏感。
• 通过激活失超加热器，显著提升了长线圈的失超性能，证明了对磁通跳跃的有效抑制。
• 两种机械结构——无夹箍与带夹箍——在长Nb3Sn线圈中成功实现，且重新组装后性能无退化。
• RRP-108/127 Nb3Sn丝材在12 T、4.2 K下实现Jc > 3 kA/mm²，支持高场运行，并为15 T磁体的规模化提供基础。