粒子加速器MgB2超导二极磁体关键技术研究

MgB2 is a new superconducting material. With a critical temperature of 39 K, MgB2 can operate at temperatures well above liquid-helium (LHe) temperatures, it's an important advantage for stability and cryogenic issues. This make it an good option for cryogen-free superconducting magnet in many application fields, including MRI. Superconducting magnet based on MgB2 is also a good choice for industry or medical particle accelerators to reduce footprint and operation costs. The study on the MgB2 based superconducting magnet for accelerator is still in the early stage and a lot of technical issues need to be studied. This project will investigate different aspects of scientific and technical issues related to the MgB2 based superconducting magnet, including EM design, stress analysis and mechanical structure optimization, fabrications, etc. In order to demonstrate the practical feasibility of superconducting magnets for accelerator based on MgB2, a prototype will be designed, fabricated and tested. The results will provide technical basis for future accelerator development.

二硼化镁（MgB2）是一种新型超导材料，具有较高的临界温度（39K），能够在高于液氦温区下运行，在稳定性和低温方面具有很大的优势，成为制作传导冷却无液氦超导磁体的最佳候选导体，在MRI等应用领域成为研究热点。如果将其应用于工业或医疗用的质子和碳离子加速器，有望大幅缩减加速器尺寸，降低建设成本和运行功耗。目前国际上基于二硼化镁的加速器磁体研究处于起步阶段，有很多问题需要深入研究。本项目针对研制二硼化镁加速器超导二极磁体所涉及的电磁结构、力学结构、加工工艺、运行特性等关键科学和技术问题开展系统的数值仿真和相关实验研究，并设计和研制一台二极磁体样机，进行相关测试和实验，为其在加速器中的实际应用提供技术基础和实验依据。

二硼化镁(MgB2)超导材料具有较高的临界温度(39K)，能够在高于液氦温区下和在中低磁场(<3T)下保证较高的载流能力，成为很多要求无液氦运行的低场应用超导磁体的最佳候选材料之一，已经被应用于商业低场开放式无液氦MRI磁体上。如果能将MgB2超导线材应用于这类加速器磁体上，将能够在提升中心磁场的基础上，减小磁体体积和重量，并大幅减少功耗，为应用型加速器的小型化提供技术保障。本项目针对MgB2超导材料应用于粒子加速器超导二极磁体所涉及的电磁结构、力学特性、加工工艺、运行特性等关键科学和技术问题开展数值仿真和相关实验研究，主要从电磁结构、线材性能和样机研制三个方面开展了研究：1）对适用于MgB2超导线特性的加速器磁体电磁结构进行了设计和优化研究。探索了铁芯主导型和线圈主导型的电磁结构，并针对传统的Cosine-Theta型线圈结构的激磁效率、加工难度和磁场精度之间的矛盾，创新性的将DCT(Discrete-Cosine-Theta)与CCT(Canted-Cosine-Theta)结构相结合，兼顾高激磁效率和高磁场精度，从而在保证磁场强度和精度的基础上最小化超导线材用量；2）MgB2超导线材的低温力学性能研究。对本项目所采用的蒙乃尔合金基体的MgB2超导多芯线材进行了低温拉伸试验，获得了低温下超导线材的力学特性，为样机的结构设计提供了实验数据支持；3）MgB2超导二极磁体样机的设计、研制和测试。设计和研制了中心磁场3T，气隙16mm的铁芯主导型超导二极磁体，一对跑道型线圈采用先绕制后反应工艺制作，通过试验线圈的研制和测试，探索了积累了MgB2线圈的绕制、热处理、真空环氧浸渍、接头制作等一系列工艺流程，为未来MgB2加速器磁体的研制奠定了工艺基础。并尝试采用固氮冷却介质来提高磁体的热稳定性，并进行了相应的低温测试。总之，依托本项目开展的研究，取得了一些关键的科研成果和重要的技术积累，为我国重离子加速器新型高温超导二极和多极磁体结构的应用提供了关键的技术支撑。