新型高场Nb3Sn加速器二极磁体关键制备技术研究

Due to the strain-sensitive characteristics of high field superconductors like Nb3Sn, stress management is always a critical issue for fabrication of high field accelerator magnets. Performance investigation of Nb3Sn accelerator magnets with high stress level is proposed here, to study the stress-strain behavior and mechanism of Jc degradation of the high field Nb3Sn superconductor, the stress control method for coil fabrication, especially during Rutherford cabling and heat reaction process, and the stress control method for magnet assembly and operation. The goal is to find the best way to minimize the Jc degradation of superconductors and ensure the high-performance operation of the high field accelerator magnets.

基于Nb3Sn超导线材的高场强加速器超导磁体(铁)技术是近年来国际粒子加速器领域的研究热点，以突破基于NbTi技术的最高场强限制、进一步提高粒子对撞能量。Nb3Sn线材临界场强高但机械性能差：载流能力随应变的增加而衰减；磁体制备过程中Nb3Sn线材的应变调控机制，是高场Nb3Sn超导磁体技术相对于NbTi磁体技术最突出的难点之一。本申请联合超导线材及磁体技术研究力量，从高Jc Nb3Sn线材本身特性入手，同时结合加速器磁体技术独有的特点（电缆结构、线圈结构及支撑结构），对高场加速器超导磁体关键制备技术开展研究。在深入了解线材应力应变特性及Jc衰减机制的基础上，揭示磁体制备过程中各个环节对磁体性能的作用机理，使其导致的超导线材载流能力衰减降至最低，保证磁体高性能运行。我国在高场加速器超导磁体领域缺乏既有经验，本项目的开展将会促进我国在此领域技术的进步，为以后的长期发展奠定基础。

高临界电流密度Nb3Sn超导线材在磁场大于10T磁体中具有很广的应用市场，目前国际上在各个科学工程中批量交付使用的高临界电流密度Nb3Sn超导线材的临界电流密度在12T，4.2K条件下可以达到2500A/mm2以上。高临界电流密度Nb3Sn超导线材相比ITER 结构Nb3Sn线材，在相同Nb/Sn比条件下，高Nb含量亚组元中呈现出较高的Sn/Cu比，经过中温热处理，线材中产生大量Cu-Nb-Sn相；随着温度增加，Cu-Nb-Sn相逐步分解生成大量的液态Sn与Nb反应，伴随着NbSn2和Nb6Sn5相的生成；随着650℃热处理时间不断增加，NbSn2和Nb6Sn5相逐步转变为粗大Nb3Sn晶粒，导致Nb3Sn线材性能下降。通过结合ITER结构Nb3Sn线材，制备出Nb含量51%和Nb含量58%两种线材，通过增加线材中的Sn含量，发现300~400nm粗大Nb3Sn晶粒占比明显减小，线材性能提高至2500A/mm2（@4.2K，12T）。.与合作单位共同研制成功卢瑟福电缆绞缆机，解决了工艺上的诸多难题后实现超导卢瑟福电缆的批量稳定制作。目前已经制作出数千米的NbTi及Nb3Sn缆，用于高场试验磁体的制作；基于西部超导生产的铌三锡线材，制作了首批高场Nb3Sn超导卢瑟福电缆及跑道型超导线圈，并进行了低温性能测试。基于国外公司的Nb3Sn线材及西部超导NbTi线材的高场试验磁体，在4.2K两个孔径内实现10.7T二极场强。为下一步大孔径12-16T二极试验磁体研制奠定了技术基础。.在其他相关课题经费的共同支持下，初步完成了高场超导加速器磁体测试系统的建设，包括4.2K、250W氦液化及回收系统改造、13kA电源、13kA电流引线及杜瓦法兰改造等，已经完成两次高场试验磁体测试，顺利达到课题所要求的各项研究指标。