伯克利实验室加速器技术与应用物理(ATAP)部门的研究人员与密歇根州立大学稀有同位素束(FRIB)设施(世界上最强大的重离子加速器)的同事合作，开发了一种基于铌锡(Nb3Sn)技术的新型超导磁体。

这种磁体是同类磁体中的第一个，可以显着改善FRIB的性能并增强其功能，从而在医学，工业和研究中开辟新的应用。这篇论文发表在《IEEE应用超导学报》上。

在FRIB，跨越元素周期表的元素离子束(离子)，包括像铀这样的重元素，被加速到光速的一半。当这些光束与目标相撞时，它们会分裂，产生短寿命的同位素。

通过研究这些罕见的同位素，其中一些从未被观察到，科学家可以更好地了解物质的结构和我们宇宙的形成。

“FRIB的一个关键组成部分是电子回旋共振离子源(ECRIS)，它可以产生高电流、高电荷状态的离子，注入加速器束流线，”ATAP超导磁体项目(SMP)的研究员沈腾明解释说，他是新磁体开发的负责人。

“这种ECRIS使用六极磁铁和螺线管来限制等离子体中的电子和离子。然后用高频(28ghz)微波加热电子，产生高能电子，从等离子体中的中性原子中剥离电子，产生高电荷态离子。”(沈指出，这种配置是基于伯克利实验室回旋加速器中使用的核科学通用ECRIS (VENUS)设计的。)

这个六极磁铁由伯克利实验室制造，用超导铌钛(Nb-Ti)线圈缠绕。然而，28 GHz Nb-Ti磁体在ECIRS工作的液氦温度(4.2开尔文，-452.1华氏度)下的峰值场为6.7特斯拉(T)。

Shen说，为了提高设备的性能并扩大其应用范围，ECRIS需要使用能够产生更高磁场的磁铁来构建，以便在更高的微波频率下运行。

“我们的目标是将微波频率提高到45千兆赫以上。在此频率下，峰值磁场增大到10.8 T;然而，铌钛材料的载流能力明显下降。

为此，研究人员选择了一种基于Nb3Sn超导线圈的磁铁设计。由Nb3Sn制成的线圈可以在更高的磁场下携带每平方毫米100安培以上的高电流密度——可能高达22 t——而不是由Nb-Ti在4.2 K下产生的线圈。

然而，虽然Nb3Sn的超导性能超过Nb-Ti，但Nb3Sn的导体特性与Nb-Ti的导体特性有很大不同。

“例如，与Nb-Ti不同，Nb3Sn很脆，对应变很敏感。此外，由Nb3Sn制成的线圈在制造过程中会发生尺寸变化，这需要对制造过程进行更好的管理。

“此外，这种磁铁是用小导体构成的，而不是目前磁铁设计中使用的大型卢瑟福电缆，每个线圈大约需要300圈。”

他说，这些因素增加了生产线圈和组装磁铁的复杂性。

“因此，”他继续说，“制造Nb3Sn线圈更具挑战性，特别是对于这种目前还没有蓝图的首创磁铁。因此，制造这样的磁铁需要丰富的设计和制造超导磁体的经验。”

幸运的是，伯克利实验室在研究nb3sn基磁铁方面有着丰富的经验。例如，去年，该实验室成功地制造并组装了第一套由Nb3Sn超导电缆制成的四极磁铁。

这项工作是美国加速器升级项目对高亮度大型强子对撞机加速器升级项目的持续贡献的一部分，该项目旨在提高大型强子对撞机的能力，有望在高能和粒子物理方面有新的发现。

ATAP技术副主任兼SMP负责人Soren Prestemon表示，这种ECRIS磁体的开发“是一个很好的例子，说明未来对撞机的高场加速器磁体研发如何有益于其他科学应用。”

“此外，它为我们才华横溢的科学家、工程师和技术人员团队提供了一个绝佳的机会，可以直接为像FRIB这样的新设施和运营设施做出贡献，并推动高能物理研究的发展。”

沈说，该团队已经进行了大量的磁性和机械设计计算，以管理Nb3Sn的染色敏感性。

“我们还评估了导体制造工艺，进行了绕组和制造试验，并开发了一种新的设计，以解决线圈制造的挑战。我们即将完成实践线圈、工具设计、制造程序和工艺。”

他补充说，已经开始缠绕一个全尺寸的原型线圈，他们打算很快测试一个全长的版本，以验证其超导性能。他说，如果测试成功，他们计划开发、建造和测试一个28 GHz的系统，并“着眼于未来的升级”。

据FRIB加速器系统部主任、该设施的主要合作伙伴Wei Jie介绍，基于Nb3Sn技术的新磁体设计“将产生比目前的Nb-Ti源更高的磁场，在提供更高的安全裕度的同时提供卓越的性能。”更重要的是，它使新的ECR源设计能够在更高的频率(高达45 GHz)下工作，并提高了等离子体功率。”

他说，一旦完成，磁体“将确保FRIB保持在基础科学研究的前沿。”