铌锡磁铁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设施（FRIB）（世界上最强大的重离子加速器）的同事合作，开发了一种基于铌锡（Nb）的新型超导磁体。₃Sn）技术。

这种磁铁是同类中的第一个，可以显着提高 FRIB 的性能并增强其能力，从而打开在医学、工业和研究领域。纸张是发表在日记中IEEE 应用超导学报.

在 FRIB，元素周期表中元素的电离原子（离子）束（包括铀等重元素）被加速到光速的一半。当这些光束与目标碰撞时，它们会分裂并产生短寿命的同位素。

通过研究这些稀有同位素（其中一些从未被观察到），科学家可以更好地了解物质的结构和宇宙的形成。

“FRIB 的一个关键组件是电子回旋共振离子源 (ECRIS)，它可产生高电流、高电荷态离子，用于注入加速器束线，”负责领导新型磁体开发的 ATAP 超导磁体计划 (SMP) 的科学家 Tengming Shen 解释道。

“这个 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。然后电子被加热(28 GHz) 微波，产生高能电子，从等离子体中的中性原子中剥离电子，从而产生高电荷态离子。”（沉指出，这种配置基于伯克利实验室回旋加速器中使用的多功能核科学 ECRIS (VENUS) 设计。）

这种六极磁铁由伯克利实验室制造，缠绕有超导铌钛 (Nb-Ti) 线圈。然而，28 GHz Nb-Ti 磁体在 ECIRS 运行的液氦温度（4.2 开尔文，-452.1°华氏度）下具有 6.7 特斯拉 (T) 的峰值磁场。

Shen 表示，为了提高设施的性能并扩大其应用范围，ECRIS 需要使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 45 GHz 以上。在此频率下，峰值增加到10.8T；然而，Nb-Ti 材料的载流能力显着降低。”

为此，研究人员选择了一种基于铌制成的超导线圈的磁体设计₃锡。铌制成的线圈₃Sn 在比 Nb-Ti 在 4.2 K 产生的磁场高得多的磁场（可能高达 22 T）下可以承载每平方毫米超过 100 安培的高电流密度。

然而，虽然铌的超导特性₃Sn超过Nb-Ti，沉说Nb的导体特性₃Sn与Nb-Ti有很大不同。

“例如，与 Nb-Ti 不同，Nb₃锡很脆并且对应变敏感。此外，由铌制成的线圈₃锡在制造过程中会发生尺寸变化，这需要对制造过程进行更好的管理。

“此外，磁体是使用小导体而不是当前磁体设计中使用的大型卢瑟福电缆构建的，每个线圈需要大约三百匝。”

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，“制造了 Nb₃锡线圈更具挑战性，特别是对于目前尚无蓝图的这种首创磁体。因此，制造这样的磁体需要丰富的设计和制造超导磁体的经验。”

幸运的是，伯克利实验室在铌方面拥有丰富的经验₃锡基磁铁。例如，去年，实验室成功制造并组装了第一套铌四极磁体₃锡超导电缆。

这项工作是美国加速器升级项目对高光度大型强子对撞机加速器升级项目持续贡献的一部分，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领域取得新发现。

ATAP 技术副总监兼 SMP 负责人 Soren Prestemon 表示，这种 ECRIS 磁体的开发“是未来对撞机高场加速器磁体研发如何有益于其他科学应用的一个很好的例子”。

“此外，它为我们由科学家、工程师和技术人员组成的才华横溢的团队提供了绝佳的机会，让他们能够直接为 FRIB 等新设施和运营设施以及高能物理研究的进步做出贡献。”

Shen 表示，该团队已经进行了大量的磁性和机械设计计算来管理 Nb₃Sn 对污渍敏感的特性。

“我们还评估了导体制造工艺，进行了绕线和制造试验，并开发了一种新设计来解决线圈制造的挑战。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，缠绕全尺寸原型线圈的工作已经开始，他们打算很快测试全长版本以验证其超导性能。他表示，如果测试成功，他们计划开发、构建和测试 28 GHz 系统，“着眼于未来的升级”。

FRIB 加速器系统部主任兼该设施的主要合作者 Jie Wei 表示，基于 Nb 的新型磁体设计₃Sn技术“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45 GHz）和更高的等离子体功率下运行。”

他表示，完成后，磁铁“将确保 FRIB 保持在基础科学研究的前沿”。