金属绝缘REBCO跑道型线圈在CEA巴黎-萨克莱的研发突破：实现12.3T峰值磁场下的高电流密度超导磁体

《IEEE Transactions on Applied Superconductivity》：Metal as Insulation REBCO Racetracks Coils: Development, Fabrication, and Cryogenic Testing at CEA Paris-Saclay

本刊特邀编辑推荐：为突破高场磁体技术瓶颈，CEA巴黎-萨克莱团队开展金属绝缘(MI)REBCO跑道型线圈研究。通过创新性采用共绕制Durnomag金属带作为绝缘层，成功研制出单/双跑道线圈，在4.2K液氦环境下实现峰值磁场12.3T、整体电流密度>2300A/mm2的突破性性能。该技术将高温超导材料用量降低至传统设计的1/5，为未来14T+加速器磁体奠定关键技术基础。

　　

在粒子加速器领域，实现更高磁场强度始终是推动科学前沿发展的核心驱动力。传统低温超导磁体虽已广泛应用，但其磁场强度上限约8T的瓶颈制约着新一代高能物理实验装置的性能突破。高温超导材料REBCO因其卓越的载流能力与高场性能，被视为实现12T以上磁场的关键技术路径。然而，REBCO材料的高成本与复杂绝缘处理工艺成为实际应用的突出障碍。

CEA巴黎-萨克莱实验室创新性地将金属绝缘技术应用于REBCO跑道型线圈设计。该技术通过共绕制30μm厚Durnomag金属带替代传统绝缘层，使线圈整体电流密度提升至传统加速器磁体的4-5倍，同时显著降低超导材料用量。研究团队采用分步验证策略，先通过单跑道线圈验证基础性能，再构建双跑道组合体挑战更高磁场目标。

关键技术方法包括：1）采用SST产REBCO带材（宽度4mm，厚度73-75μm）与Durnomag带共绕制；2）设计径向压缩机械结构配合贝氏弹簧垫圈管理电磁应力；3）建立基于GUI-RAT软件的电磁设计模型；4）在液氦浴环境下进行淬灭测试与被动保护验证。

Mockup设计

线圈参数经精确优化：单线圈RT9使用132匝53米长带材，双线圈DRT10-11组合281匝113米带材。通过GUI-RAT软件计算临界电流分布，RT9在4.2K时最小临界电流达1890A，DRT10-11为1125A。磁场-电流比参数显示，中心磁场灵敏度达5.89-5.95mT/A，导体峰值磁场灵敏度高达13.50mT/A。

制备工艺

绕组过程采用恒张力控制（REBCO带110-133MPa，Durnomag带125-150MPa）。核心工艺包含三步：内铜环焊接（210°C铅锡焊料）、主绕组共绕制（超导层向内放置）、外铜环低温焊接（铟锡合金避免热损伤）。绕组设置4个电压抽头监测运行状态。

液氦测试结果

单跑道线圈RT9在1025A电流下淬灭，实现中心磁场2.9T，导体峰值磁场8.5T，整体电流密度达2560A/mm²。尽管经历四次淬灭后出现局部损伤（弯段可见烧蚀痕迹），但匝间电阻仍保持60μΩ以上，证明超导性能未完全失效。

双跑道线圈DRT10-11表现更为优异：首次淬灭电流828A（中心场4.6T），第二次提升至915A，中心磁场突破5.1T，导体峰值磁场达12.3T，整体电流密度2380A/mm²。通过设置0.5V过压保护，淬灭过程中仅4J能量注入线圈，41J能量通过保护电路导出，线圈经检测无可见损伤。

结论与讨论

研究证实金属绝缘技术可使线圈承受>13kJ/kg的能量密度而不损坏。性能预测模型显示：考虑全带材电流饱和的模型过于乐观（实测值仅为预测值的54%-81%），而基于局部临界电流的模型更接近实测结果（DRT10-11达预测值的105%）。超高电流密度下（REBCO内>3450A/mm²，铜内>15kA/mm²）的屏蔽电流效应可能是限制因素，需进一步开发专用数值模型。

该技术路线为建造14T+块体MI-REBCO二极磁体奠定坚实基础。下一步将开展600mm直段长度线圈试验，深化对淬灭 initiation机制的理解，优化被动/主动混合保护方案。这项发表于《IEEE Transactions on Applied Superconductivity》的研究标志着高场超导磁体技术向实用化迈出关键一步。