HTS超铁磁复合功能磁体，用于FCC-ee项目

《IEEE Transactions on Applied Superconductivity》：HTS Superferric Combined Function Magnet for the FCC-ee Project

采用组合式超 Ferric 高温超导磁体设计，在 FCC-ee 环形对撞机中通过缩短磁体长度提升对撞填充因子，降低射频腔功耗和整体能耗，同时结合铁芯结构减少超导材料用量，优化成本效益。

　　

摘要：

能源消耗对像CERN这样的粒子物理研究实验室来说是一个日益严峻的挑战。在大型加速器设施中，这一问题尤为突出，因为常规导电磁体技术在束线设计中起着基础性作用。在这种情况下，对高温超导（HTS）磁体的研究、开发与探索为提高能源效率提供了有希望的解决方案。HTS材料能够大幅降低能源消耗和运营成本，使其能够在比传统超导体更高的工作温度下运行。当这种技术与超铁磁体结合使用时，可以设计出更简单、更具成本效益的磁体结构，同时利用铁轭极的形状来提升磁场质量，从而减少高温超导体的磁化效应带来的影响。本文描述了一种用于FCC-ee主环的复合超铁磁体（六极磁体和四极磁体）。该提案的主要目标是在不增加加速器长度的情况下，实现与当前电阻磁体配置相同的性能。这种设计提高了偶极磁体的填充因子，从而通过降低射频腔功率需求或在保持射频功率不变的情况下提高束流亮度，实现整体能源消耗的轻微减少。此外，还进行了一项初步的热力学研究，以初步评估这些磁体的能耗情况。该项目针对高能、低场粒子加速器，通过使用铁轭来最小化所需的HTS材料用量，进而降低磁体成本，并进一步减少制造技术的需求。这种方法在成本效益与性能之间取得了平衡，为可持续加速器技术的发展带来了重大进展。

引言

根据欧洲粒子物理战略[1]的指导方针，下一代粒子对撞机的候选方案之一是未来环形对撞机[2]，它包括两种分阶段配置：FCC-ee[3]和FCC-hh[4]，这与LEP和LHC的情况类似。因此，经济和能源相关挑战是该项目中最受关注的方面之一。虽然初始投资和成本是主要关注点，但运营成本也不容忽视，因为考虑到该机器预计将运行数十年，运营成本是一个非常重要的因素。因此，研究加速器的各个组成部分以优化其能源消耗、构造和可靠性尤为重要，这不仅有助于实现整体能源和成本节约，还有助于提高环境可持续性。就对撞机效率而言，同步辐射及其相应的能量补充是能源损失的主要来源。由于现有电阻偶极磁体的工作场较低，更换它们具有挑战性，但一个有趣的替代方案是专注于四极磁体和六极磁体。通过使用高温超导体（HTS），可以缩短它们的整体长度，有效提高偶极磁体的填充因子，从而降低能耗。在这种背景下，选择采用复合超铁磁体方案有多个原因：尽管使用铁极会引入非线性和饱和现象，但它能够减少对超导线圈的磁场需求，减轻HTS磁化效应对磁场质量的影响，并降低导体成本。该设计还借鉴了PSI[5][6]同事的研究成果，他们正在探索嵌套的余弦θ和倾斜余弦θ配置，提供了宝贵的对比参考。此外，该设计还基于INFN-LASA在HL-LHC项目中使用超铁校正磁体的经验[7]，采用了适合工业规模生产的跑道线圈技术，这对于FCC-ee对撞机所需的大量多功能磁体来说是一个重要的考虑因素。