铌锡磁体可能是释放重离子加速器潜力的关键

伯克利实验室加速器技术与应用物理(ATAP)部门的研究人员与密歇根州立大学稀有同位素束(FRIB)设施(世界上最强大的重离子加速器)的同事合作，开发出一种基于铌锡(Nb3Sn)技术的新型超导磁体。

这种磁体是同类产品中的首款，可以显著提高FRIB的性能并增强其功能，从而在医学、工业和研究领域开辟新的应用。该论文发表在《IEEE应用超导学报》上。

在FRIB中，元素周期表中的元素(包括铀等重元素)的电离原子束(离子)被加速到光速的一半。当这些光束与目标碰撞时，它们会分裂成短寿命同位素。

通过研究这些从未被观测到的稀有同位素，科学家可以更好地了解物质的结构和宇宙的形成。

“FRIB的一个关键部件是电子回旋共振离子源(ECRIS)，它能产生高电流、高电荷态离子注入加速器光束线，”领导新磁体开发的ATAP超导磁体项目(SMP)的研究员TengmingShen解释道。

“该ECRIS使用六极磁铁和螺线管将电子和离子限制在等离子体中。然后用高频(28GHz)微波加热电子，产生高能电子，这些电子从等离子体中的中性原子中剥离电子，产生高电荷态离子。”(Shen指出，这种配置基于伯克利实验室回旋加速器中使用的核科学多功能ECRIS(VENUS)设计。)

该六极磁体由伯克利实验室制造，缠绕有超导铌钛(Nb-Ti)线圈。然而，28GHzNb-Ti磁体在ECIRS运行的液氦温度(4.2开尔文，-452.1°F)下具有6.7特斯拉(T)的峰值磁场。

沈表示，为了提高该设施的性能并扩大其应用范围，ECRIS需要采用能够产生更高磁场的磁铁来构建，以便能够在更高的微波频率下运行。

“我们的目标是将微波频率提高到45GHz以上。在这个频率下，峰值磁场增加到10.8T;然而，Nb-Ti材料的载流能力却显著下降。”

为此，研究人员选择了一种基于Nb3Sn超导线圈的磁体设计。Nb3Sn线圈可在比Nb-Ti在4.2K下产生的磁场高得多的磁场(可能高达22T)下承载超过100安培/平方毫米的高电流密度。

然而，虽然Nb3Sn的超导性能超过了Nb-Ti，但沈教授表示，Nb3Sn的导体特性与Nb-Ti有很大不同。

“例如，与Nb-Ti不同，Nb3Sn易碎且对应变敏感。此外，由Nb3Sn制成的线圈在制造过程中会发生尺寸变化，这要求对制造过程进行更严格的管理。

“此外，该磁铁采用小导体构成，而不是当前磁铁设计中使用的大型卢瑟福电缆，每个线圈需要大约三百圈。”

他说这些因素增加了生产线圈和组装磁铁的复杂性。

“因此，”他继续说道，“制造Nb3Sn线圈更具挑战性，尤其是对于这种目前尚无蓝图的首创磁体而言。因此，制造这样的磁体需要丰富的超导磁体设计和制造经验。”

幸运的是，伯克利实验室在Nb3Sn基磁体方面拥有丰富的经验。例如，去年该实验室成功制造并组装了第一组由Nb3Sn超导电缆制成的四极磁体。

这项工作是美国加速器升级项目对高亮度大型强子对撞机加速器升级项目的持续贡献的一部分，该项目旨在增强大型强子对撞机的能力，有望在高能和粒子物理学领域带来新的发现。

ATAP技术副总监兼SMP负责人SorenPrestemon表示，ECRIS磁体的开发“是未来对撞机高场加速器磁体研发如何造福其他科学应用的绝佳范例”。

“此外，它为我们才华横溢的科学家、工程师和技术人员团队提供了一个绝佳的机会，让他们能够直接为FRIB等新建和运行设施以及高能物理研究的进步做出贡献。”

沈先生表示，团队已经进行了大量的磁性和机械设计计算来控制Nb3Sn的污染敏感特性。

“我们还评估了导体制造工艺，进行了绕线和制造试验，并开发了一种解决线圈制造挑战的新设计。我们即将完成实践线圈、工具设计、制造程序和工艺。”

他补充说，他们已经开始缠绕全尺寸原型线圈，并打算很快测试全长版本以验证其超导性能。如果测试成功，他说他们计划开发、建造和测试一个28GHz系统，“着眼于未来的升级”。

据FRIB加速器系统部门主任、该设施的主要合作者JieWei介绍，基于Nb3Sn技术的新磁体设计“将产生比当前Nb-Ti源更高的磁场，提供卓越的性能，同时提供更大的安全裕度。更重要的是，它使新的ECR源设计能够在更高的频率(高达45GHz)和更高的等离子体功率下运行。”

他说，完成后，该磁铁“将确保FRIB始终处于基础科学研究的前沿”。