伯克利實驗室加速器技術與應用物理(ATAP)部門的磁體研究人員與密歇根州立大學稀有同位素束(FRIB)設施(世界上最強大的重離子加速器)的同事合作，開發出一種基于鈮錫(Nb3Sn)技術的釋放新型超導磁體。
這種磁體是同類產品中的首款，可以顯著提高FRIB的加速性能并增強其功能，從而在醫學、器潛工業和研究領域開辟新的關鍵應用。該論文發表在《IEEE應用超導學報》上。鈮錫
在FRIB中，磁體元素周期表中的釋放元素(包括鈾等重元素)的電離原子束(離子)被加速到光速的一半。當這些光束與目標碰撞時，重離它們會分裂成短壽命同位素。加速
通過研究這些從未被觀測到的器潛稀有同位素，科學家可以更好地了解物質的關鍵結構和宇宙的形成。
“FRIB的鈮錫一個關鍵部件是電子回旋共振離子源(ECRIS)，它能產生高電流、高電荷態離子注入加速器光束線，”領導新磁體開發的ATAP超導磁體項目(SMP)的研究員TengmingShen解釋道。
“該ECRIS使用六極磁鐵和螺線管將電子和離子限制在等離子體中。然后用高頻(28GHz)微波加熱電子，產生高能電子，這些電子從等離子體中的中性原子中剝離電子，產生高電荷態離子。”(Shen指出，這種配置基于伯克利實驗室回旋加速器中使用的核科學多功能ECRIS(VENUS)設計。)
該六極磁體由伯克利實驗室制造，纏繞有超導鈮鈦(Nb-Ti)線圈。然而，28GHzNb-Ti磁體在ECIRS運行的液氦溫度(4.2開爾文，-452.1°F)下具有6.7特斯拉(T)的峰值磁場。
沈表示，為了提高該設施的性能并擴大其應用范圍，ECRIS需要采用能夠產生更高磁場的磁鐵來構建，以便能夠在更高的微波頻率下運行。
“我們的目標是將微波頻率提高到45GHz以上。在這個頻率下，峰值磁場增加到10.8T;然而，Nb-Ti材料的載流能力卻顯著下降。”
為此，研究人員選擇了一種基于Nb3Sn超導線圈的磁體設計。Nb3Sn線圈可在比Nb-Ti在4.2K下產生的磁場高得多的磁場(可能高達22T)下承載超過100安培/平方毫米的高電流密度。
然而，雖然Nb3Sn的超導性能超過了Nb-Ti，但沈教授表示，Nb3Sn的導體特性與Nb-Ti有很大不同。
“例如，與Nb-Ti不同，Nb3Sn易碎且對應變敏感。此外，由Nb3Sn制成的線圈在制造過程中會發生尺寸變化，這要求對制造過程進行更嚴格的管理。
“此外，該磁鐵采用小導體構成，而不是當前磁鐵設計中使用的大型盧瑟福電纜，每個線圈需要大約三百圈。”
他說這些因素增加了生產線圈和組裝磁鐵的復雜性。
“因此，”他繼續說道，“制造Nb3Sn線圈更具挑戰性，尤其是對于這種目前尚無藍圖的首創磁體而言。因此，制造這樣的磁體需要豐富的超導磁體設計和制造經驗。”
幸運的是，伯克利實驗室在Nb3Sn基磁體方面擁有豐富的經驗。例如，去年該實驗室成功制造并組裝了第一組由Nb3Sn超導電纜制成的四極磁體。
這項工作是美國加速器升級項目對高亮度大型強子對撞機加速器升級項目的持續貢獻的一部分，該項目旨在增強大型強子對撞機的能力，有望在高能和粒子物理學領域帶來新的發現。
ATAP技術副總監兼SMP負責人SorenPrestemon表示，ECRIS磁體的開發“是未來對撞機高場加速器磁體研發如何造福其他科學應用的絕佳范例”。
“此外，它為我們才華橫溢的科學家、工程師和技術人員團隊提供了一個絕佳的機會，讓他們能夠直接為FRIB等新建和運行設施以及高能物理研究的進步做出貢獻。”
沈先生表示，團隊已經進行了大量的磁性和機械設計計算來控制Nb3Sn的污染敏感特性。
“我們還評估了導體制造工藝，進行了繞線和制造試驗，并開發了一種解決線圈制造挑戰的新設計。我們即將完成實踐線圈、工具設計、制造程序和工藝。”
他補充說，他們已經開始纏繞全尺寸原型線圈，并打算很快測試全長版本以驗證其超導性能。如果測試成功，他說他們計劃開發、建造和測試一個28GHz系統，“著眼于未來的升級”。
據FRIB加速器系統部門主任、該設施的主要合作者JieWei介紹，基于Nb3Sn技術的新磁體設計“將產生比當前Nb-Ti源更高的磁場，提供卓越的性能，同時提供更大的安全裕度。更重要的是，它使新的ECR源設計能夠在更高的頻率(高達45GHz)和更高的等離子體功率下運行。”
他說，完成后，該磁鐵“將確保FRIB始終處于基礎科學研究的前沿”。
