缪子对撞机16T高温超导二极磁体创新设计：电磁-机械协同优化与损耗控制研究

《IEEE Transactions on Applied Superconductivity》：Updates on the Preliminary Electromagnetic and Mechanical Design of the Block-Coil Dipole for the Muon Collider Ring

本文报道了国际缪子对撞机合作组织(IMCC)在块状线圈(Block-coil)二极磁体设计上的重要进展。为满足10 TeV缪子对撞机对紧凑型高场磁体的苛刻要求，研究团队提出采用REBCO高温超导(HTS)材料和创新堆叠电缆取向方案，实现了140 mm孔径内16 T的磁场强度。通过电磁优化使多极谐波低于1单位，采用应力管理策略将洛伦兹力诱导应力降低74%，并首次评估了传输电流对磁滞损耗的影响。该设计在满足400 kEUR/m成本约束下，为未来高能对撞机磁体技术提供了可行路径。

　　

在探索超出当前理论框架的前沿物理过程中，下一代对撞机的研发已成为国际高能物理界的焦点。缪子对撞机作为极具潜力的方案，因其缪子寿命极短（静止状态下仅2.2 μs），对加速器磁体提出了近乎苛刻的要求：必须同时具备紧凑结构、高强度磁场和大孔径特性，以最大化亮度并容纳缪子衰变产物的内部屏蔽。这些挑战催生了对高温超导(HTS)技术和创新磁体设计策略的迫切需求。

传统低温超导(LTS)材料如Nb₃Sn已接近其性能极限，而稀土钡铜氧(REBCO)高温超导材料凭借其卓越的临界电流密度和较高的工作温度（20 K），为下一代高场磁体提供了新的可能性。然而，REBCO材料的本征脆性和对机械应力的敏感性，以及磁化效应导致的场质量劣化问题，成为技术应用的主要障碍。针对这些挑战，国际缪子对撞机合作组织(IMCC)开展了块状线圈二极磁体的系统性研究，相关成果发表于《IEEE Transactions on Applied Superconductivity》。

研究团队采用了多学科协同设计方法，重点突破了电磁优化、机械应力管理和损耗评估等关键技术。在电磁设计方面，利用CERN开发的ROXIE场计算程序进行二维场质量优化，采用等效电缆模型模拟REBCO堆叠带材。机械分析通过ANSYS有限元软件实现，采用均匀化线圈属性和理想化边界条件评估应力分布。磁滞损耗评估基于Bean临界态模型，首次同时考虑了无传输电流和带传输电流两种工况。成本估算则依据CERN更新后的磁体成本模型，综合考虑线圈材料、冷质材料和低温系统三大部分。

电磁设计优化结果表明，新设计的块状线圈二极磁体在140 mm孔径内实现了16 T的磁场强度，峰值磁场达18.1 T。通过灵敏度的匝数分布优化，所有高阶多极谐波系数均被控制在1单位以内，显著提升了场质量。混合线圈布局（下部1-7模块为薄饼线圈，上部8-11模块为跑道线圈）有效减少了硬弯问题，为端部绕组设计提供了便利。

磁滞损耗分析显示，在完全磁饱和状态下，无传输电流时的损耗为389 kJ/m，而考虑传输电流效应后增至484 kJ/m，增幅约20%。这种损耗增加源于传输电流破坏了超导体内的电流分布对称性，增加了有效场偏移。尽管模型较为简化，但结果证实磁滞热负荷不可忽视，对低温系统提出了严峻挑战。

机械性能分析聚焦于洛伦兹力诱导应力，通过引入额外肋条实现了有效的应力管理。模拟结果显示，新设计中y方向应力降低了74%，x方向应力降低了10%，所有应力分量均低于REBCO材料的允许极限（拉伸应变0.6%，y向压应力400 MPa，x向压应力100 MPa）。剪切应力分布也表明，应力集中区域得到了有效控制。

成本估算采用前瞻性假设，REBCO材料成本设定为2671 EUR/kg（当前市价的三分之一）。总成本分解为线圈材料与制造（303 kEUR/m）、冷质材料与制造（74 kEUR/m）和低温系统（8 kEUR/m），合计385 kEUR/m，低于400 kEUR/m的目标预算，证明了设计的经济可行性。

本研究证实了全高温超导块状线圈二极磁体在缪子对撞机应用中的技术可行性。电磁设计实现了优异的场质量，机械方案有效控制了应力水平，成本估算满足了预算约束。尽管磁滞损耗和磁化效应导致的场质量劣化仍需进一步研究，但提出的条带化REBCO带材等缓解策略显示了解决问题的潜在途径。该工作为未来高能物理实验装置中的高场磁体发展提供了重要技术支撑，推动了高温超导技术在加速器领域的应用边界。后续研究将聚焦于机械模型细化、磁化效应量化、创新绕组策略实验验证以及保护与失超场景分析。