缪子对撞机储存环磁体概念设计研究新进展：基于REBCO高温超导磁体的性能极限与工程实现

《IEEE Transactions on Applied Superconductivity》：Updates on the Conceptual Design Study of the Magnets for the Muon Collider Storage Ring

为解决未来高能物理实验中缪子短寿命、强辐射负载等挑战，IMCC合作组开展了缪子对撞机储存环磁体的概念设计研究。通过结合电磁分析、机械应力模拟与成本建模，研究提出了基于REBCO高温超导材料的弧区二极磁体（16 T/140 mm）和相互作用区四极磁体（300 T/m）的方案，并对比了cosθ与块状线圈布局的优劣。该研究为下一代紧凑型高能对撞机的磁体技术提供了关键技术路径。

　　

在探索粒子物理前沿的道路上，科学家们不断追求更高能量、更高亮度的对撞机，以揭开宇宙最基本构成物质的奥秘。大型强子对撞机（LHC）之后，下一代对撞机面临诸多挑战：强子对撞机因同步辐射限制难以继续提升能量，电子对撞机则受限于同步辐射损失而难以实现高亮度。缪子对撞机作为一种革命性方案应运而生——缪子作为基本粒子，质量比电子大200倍，同步辐射极弱，同时又能像电子一样提供精确测量。然而，缪子寿命极短（约2微秒），这要求整个加速器系统必须在极短时间内完成缪子的产生、冷却、加速和对撞。

这一特殊性质对缪子对撞机储存环磁体提出了前所未有的技术要求。磁体需要产生高强度磁场以确保环形轨道紧凑，最大化缪子在对撞前的循环次数；同时需要大孔径以容纳屏蔽系统，处理缪子衰变产生的高热负载和核负载；此外，还必须使用组合功能磁体（二极+四极、二极+六极）来避免产生直線段，防止准直中微子束流造成辐射危害。这些苛刻的要求使得缪子对撞机磁体设计超越了当前加速器磁体的技术极限。

发表在《IEEE Transactions on Applied Superconductivity》上的这项研究，由国际缪子对撞机合作组（IMCC）主导，针对10 TeV中心质能、10公里周长的缪子对撞机，开展了储存环磁体的概念设计研究。研究团队通过多工作组协同，结合束流动力学、能量沉积和低温系统的约束条件，建立了磁体性能极限分析框架，并开发了基于REBCO高温超导材料的两种磁体概念设计。

研究采用的关键技术方法包括：通过解析模型和有限元分析（FEM）评估磁体在磁场-孔径平面的性能上限；建立包含机械应力（REBCO允许400 MPa）、负载线裕度（20 K时2.5 K）和保护可行性（热点温度限值200 K）的多约束优化模型；针对弧区二极磁体开展cosθ和块状线圈两种布局的电磁-机械耦合设计；采用金属绝缘REBCO带材（富士擎FESC型）的堆叠带材电缆方案；基于Hi-Lumi和LHC项目经验的成本建模方法。

磁体要求与性能极限

研究团队通过与束流动力学、能量沉积和低温工作组的协调，确定了磁体基本参数。根据能量沉积研究，钨屏蔽层厚度为3-4厘米，对应磁体孔径140-160毫米。通过建立的性能极限分析方法，绘制了不同超导材料（Nb-Ti、Nb₃Sn、REBCO）在特定温度和成本约束下的磁场-孔径关系曲线。分析表明，只有REBCO基磁体能够满足所有要求，特别是在20 K操作温度下实现高场强和大孔径的平衡。

弧区二极磁体概念设计

针对弧区二极磁体，团队开发了两种竞争方案：块状线圈和cosθ线圈布局。块状线圈采用7个垂直堆叠块，中心场强16 T，峰值场强18.1 T，具有更好的制造性和应力管理潜力。cosθ线圈实现类似性能（16.1 T中心场，18.2 T峰值场），但导体体积减少25%，场质量更易优化。

机械应力分析

初步机械分析聚焦于洛伦兹力引起的线圈应力。块状线圈通过将整体块细分为带机械垫片的小截面，成功将x方向峰值应力从-238 MPa降至-216 MPa，y方向从-218 MPa降至约-60 MPa。cosθ线圈在径向应力方面面临更大挑战，峰值应力超过100 MPa限值，需要进一步优化。

成本模型

修订后的成本模型包含线圈、冷质和低温磁体三部分。基于REBCO材料目标价格2671 EUR/kg（当前市价三分之一），估算块状线圈方案成本为385 kEUR/m，cosθ方案为318 kEUR/m，后者因导体用量少而更具成本优势。

研究结论表明，基于REBCO高温超导材料的磁体技术是实现多TeV缪子对撞机的唯一可行方案。cosθ线圈布局在成本和导体效率方面具有优势，而块状线圈在机械应力管理方面表现更好。两种设计方案均满足16 T场强、140 mm孔径的弧区磁体要求，为未来技术演示器（2045年目标）奠定了基础。这项研究不仅推动了加速器磁体技术边界，也为高能物理实验装置的能量效率和可持续性设立了新标准，被欧洲粒子物理战略报告列为关键技术里程碑。