CERN高场磁体研发计划中全Nb3Sn与混合Nb3Sn/NbTi四层余弦-θ偶极磁体设计对比研究

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《IEEE Transactions on Applied Superconductivity》：Design Comparison of Four-Layer Full-Nb3 Sn and Hybrid Nb3 Sn/NbTi Cos-Theta Dipoles for the CERN High Field Magnet R&D Programme

【字体：大中小】 时间：2025年11月27日 来源：IEEE Transactions on Applied Superconductivity 1.8

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　　本刊推荐：为突破粒子对撞机能量瓶颈，CERN与INFN合作开展14T高场偶极磁体设计研究。团队通过ROXIE软件对比全Nb3Sn与混合Nb3Sn/NbTi两种四层余弦-θ结构，发现全超导方案可实现14T目标场强且负载线裕度达20%，混合方案虽裕度降至13.5%但成本降低43%。研究为下一代对撞机磁体技术提供了性能与成本权衡的重要依据。

在粒子物理探索不断迈向更高能量前沿的今天，下一代对撞机需要比大型强子对撞机(LHC)现有磁体产生更强磁场的加速器磁体。欧洲核子研究中心(CERN)的高场磁体(HFM)研发计划正致力于攻克这一挑战，目标是在50毫米孔径内实现14特斯拉的标称孔径磁场，并保持至少20%的负载线裕度。然而，随着磁场强度的提升，机械制造挑战日益凸显，磁体设计需要在性能、复杂性和保护约束之间找到最佳平衡点。

在这项发表于《IEEE Transactions on Applied Superconductivity》的研究中，由M. Elisei领衔的CERN-INFN合作团队提出了两种创新的四层余弦-θ偶极磁体设计方案。余弦-θ布局作为一种成熟可靠的加速器磁场产生架构，在此研究中被进一步优化。团队特别关注了超导电缆的选择，因为这不仅影响电磁性能，还关系到磁体的机械和热行为。值得注意的是，他们将 strand直径从1.1毫米减小到0.85毫米，这一改进基于FALCON偶极磁体项目的经验，使绕制过程更加可行，同时增加的铜分数有助于磁体失超保护，更细的丝材则提升了通量跳跃稳定性。

研究人员采用了几项关键技术方法：使用CERN开发的ROXIE软件进行电磁设计和性能计算；采用导体分级策略在不同磁场区域使用不同电缆规格；通过半解析标量模型计算丝材磁化强度；进行初步的绝热近似失超保护分析评估最大允许失超积分；利用等效线圈宽度参数比较不同线圈布局的效率。

电磁裕度分析

研究表明，在1.9K温度下，全Nb₃Sn设计在整个线圈中满足20%负载线裕度要求。而混合配置在瞄准14T孔径磁场时，仅NbTi外层满足20%裕度，内层Nb₃Sn成为限制因素，将整体裕度降至13.5%。

温度升至4.2K时，全Nb₃Sn设计仍保持12%裕度，可在放松冷却要求下运行于14T，而混合设计在此温度下无法维持14T，NbTi外层会超过其短样本性能极限。

持续电流损耗

通过忽略丝间耦合电流和股线间耦合电流贡献，计算单次电流循环（从标称电流的5%升至100%再回落）的持续电流损耗。全Nb₃Sn设计为8.5kJ/m，混合设计为4.7kJ/m，后者损耗降低约45%，显示出混合方案在减少磁场误差方面的优势。

失超保护

初步分析采用保守绝热近似估算不同磁体区域超导电缆的最大允许失超积分。考虑300K的最高热点温度，两种设计的高场区域使用相同超导电缆，失超积分预算相似（约30MA²s）。低场区域则差异显著：全Nb₃Sn设计使用较小的Nb₃Sn电缆，预算约15MA²s；混合设计采用NbTi电缆，其热学和电学性能更优，横截面积大近50%，预算高达93MA²s。对于短示范磁体（约1米），使用外部转储电阻限制端电压至500V时，全Nb₃Sn设计需要24MA²s，混合设计需要29MA²s。端电压限制放宽至1000V时，这些值可减半。

导体成本

导体是磁体制造成本的主要驱动因素之一。按当前采购成本（NbTi为330€/kg，Nb₃Sn为2274€/kg），混合设计的Nb₃Sn质量减少约43%，每米导体成本约82k€，而全Nb₃Sn方案为163k€。这一成本差异可视为满足14T孔径磁场下20%负载线裕度要求的代价。

效率与等效线圈宽度

等效线圈宽度是比较不同线圈布局的有效参数，代表与评估设计具有相同横截面积的60°扇形线圈的宽度。全Nb₃Sn布局达到基准效率的98%，混合布局为91.1%，表明两者都是高效设计。

混合设计尽管包含性能较低的材料，却实现了更高的横截面效率，提示可能通过减少NbTi电缆中的股数来进一步优化布局，实现更紧凑、成本更低的实施。

机械考虑

针对14T高场加速器磁体，导体应力可能接近150MPa的HFM阈值，使详细结构设计对项目可行性至关重要。初步估计显示，两种设计的峰值方位角应力和径向应力与现有类似磁体（如MDPCT1和D20）相当，增强了磁体机械结构可行性的信心。全Nb₃Sn设计的最大方位角应力为83MPa，最大径向应力为97MPa；混合设计分别为116MPa和138MPa。这些结果需要通过有限元分析进一步验证。

研究结论表明，全Nb₃Sn配置能够实现14T目标磁场并满足20%负载线裕度要求，被选为在INFN米兰加速器与应用超导实验室IRIS设施制造短模型的方案。混合Nb₃Sn/NbTi布局则在成本降低、接头复杂性和持续电流损耗方面展现出优势，是性能要求稍低应用场景的可行替代方案。该研究为下一代高场偶极磁体开发提供了重要的技术权衡见解，后续工作将包括详细的失超保护和结构分析，为未来规模化制备适合加速器集成的全长原型机奠定基础。

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