CERN研制90度弯曲CCT超导二极磁体：为紧凑型强子治疗系统开辟新路径

《IEEE Transactions on Applied Superconductivity》：Fabrication of a Curved-Canted-Cosine-Theta (CCCT) Dipole at CERN

本期推荐一项超导磁体技术突破：为克服传统加速器磁体在紧凑型离子治疗系统中面临的体积限制问题，CERN研究团队成功研制出首台大孔径弯曲Canted-Cosine-Theta（CCCT）超导二极磁体。该磁体采用创新的三段式铝制骨架拼接工艺和超声焊接技术，在1米弯曲半径下实现236mm孔径内3T磁场强度，其真空压力浸渍工艺和快速失超传播导体（FQPC）系统为未来医疗加速器提供了重要技术储备。

　　

在粒子加速器领域，如何在不牺牲性能的前提下实现设备小型化一直是重大挑战。特别是在医疗应用场景中，例如离子治疗系统所需的束流传输装置，传统超导磁体因其庞大的体积和刚性结构，难以满足紧凑型治疗舱的空间限制。这种矛盾在需要大孔径、强磁场且具备弯曲轨迹的磁体设计中尤为突出。

欧洲核子研究中心（CERN）的Fusillo项目团队将目光投向了Canted-Cosine-Theta（CCT，倾斜余弦θ）磁体技术。这种采用双嵌套螺旋线圈结构的磁体设计，能够通过精确控制导体走向产生纯净的二极磁场，同时具备适应弯曲几何形状的独特优势。然而，将CCT概念转化为实际可用的弯曲磁体面临三重技术壁垒：如何加工出符合亚毫米精度要求的曲面骨架，如何在极窄间隙中完成多层线圈的装配，以及如何确保在剧烈弯曲状态下磁场的均匀性和稳定性。

为解决这些难题，研究团队研制出全球首台90度弯曲CCCT超导二极磁体 demonstrator（验证样机）。该磁体在4.5K工作温度下，于236毫米孔径内产生3.0T中心磁场，弯曲半径仅1米，物理长度1.65米。其创新之处在于将大孔径、强磁场和小曲率半径这三个看似矛盾的特性融为一体，同时通过多谐波场校正技术抵消了弯曲几何引入的磁场误差。

关键技术方法包括：采用三段式EN AW-6082 T6铝合金骨架拼接工艺解决深腔加工难题；开发十缆同步绕线系统实现70根Nb-Ti超导丝的无张力绕制；利用锥度设计（直径差10mm）完成0.2mm间隙的骨架嵌套装配；使用改进型CTD-101K环氧树脂（添加DY-040增韧剂）进行真空压力浸渍；创新采用超声焊接技术实现3cm接头处1.2nΩ的超低电阻连接。

III. 制造工艺

A. 骨架加工

通过将骨架分解为25°-30°-35°三个区段分别加工，采用Stycast EE4215环氧树脂注入轨道式缝隙的拼接技术，使拼接处抗拉强度超过40kN。定制铣刀保证沟槽截面公差控制在±0.05mm，整体形状偏差95%区域≤±0.2mm。

B. 绕线工艺

十根绳缆（6+1结构）通过专用手持工具集成束状导入沟槽，每5圈进行500VDC/30s的短路测试。层间采用45mm宽玻璃纤维带（内弯50%、外弯25%重叠率）包裹，外层增加聚酰亚胺接地绝缘。

C. 骨架嵌套

利用锥度几何配合三滑块导轨系统，实现外骨架沿1米曲率半径的精准滑入，解决0.2mm径向间隙的装配难题。

D. 真空浸渍

蛤壳结构作为密封模具，注入11kg改性环氧树脂（CTD-101K+DY-040），80°C-110°C-125°C三级固化工艺使低温断裂韧性提升50%。

E. 接头焊接

超声焊接技术使Nb-Ti细丝间距缩小至45±20μm，3cm接头电阻低至1.2±0.1nΩ，为大规模CCT磁体提供可靠连接方案。

IV. 测试仪器

磁测量系统包含分布在磁孔弯曲路径上的传导线圈阵列与低温霍尔传感器，配合分布式光纤传感（DFOS）监测导体形变。首次集成快速失超传播导体（FQPC）系统，通过垂直于绕线的超导丝实现匝间失超传播。

该研究标志着弯曲CCT磁体技术从概念设计走向工程实践的重要里程碑。通过攻克曲面骨架精密加工、多层线圈装配、浸渍工艺优化等关键技术，验证了在极端几何约束下实现高性能磁场输出的可行性。磁体33%的负载线裕度、391kJ储能能力以及集成化的失超保护方案，为下一代紧凑型离子治疗系统、空间受限加速器装置提供了新的技术路径。特别值得关注的是，该项目发展的三段式骨架拼接工艺和超声焊接接头技术，为未来更大规模弯曲超导磁体的制造建立了标准流程。随着2025年夏季低温测试的推进，这项技术有望在HIE-ISOLDE反冲分离环等实际装置中得到应用，推动超导磁体技术在医疗与科研领域的边界拓展。