大型对撞机最终聚焦双孔径超导四极磁体关键技术研究

The final focus double aperture superconducting quadrupole magnet technology is one of the key technologies and difficult problems to be solved in the next generation large collider. In order to greatly reduce the size of the beam cluster at the collision points to get high luminosity, the next generation of large circular colliders uses high-gradient, iron-free, double-aperture superconducting quadrupole magnet with a crossing angle between the two apertures for beam final focusing. The final focus double-aperture superconducting quadrupole magnet is closely related to the Lattice design of the full collider ring, and its performance directly affects whether the collider can reach the design specifications. This type magnet has the characteristics of tight space, high magnetic field gradient, high current density, serious interference between two aperture magnetic field and high magnetic field quality requirement. This project will systematically study the final focusing double-aperture superconducting quadrupole magnet based on the niobium-titanium superconducting cable for large collider, and will master the key technologies, such as its design, magnetic field interference correction, magnet manufacturing process, error analysis of some factors related to magnetic field quality, cryogenic vertical test and magnetic field measurement. Superconducting quadrupole magnets are widely used in accelerators, but our country lacks experience in the research of superconducting quadrupole magnet. This project will improve the research level of superconducting magnet technology in our country and lay the technical foundation for the construction of future large collider. The related technologies can be applied to other accelerator superconducting multipole magnets in China.

最终聚焦双孔径超导四极磁体技术是下一代大型对撞机需要解决的难点和关键技术之一。为了极大地压缩对撞点处的束团尺寸以获得高对撞亮度，下一代大型环形对撞机采用高梯度、无铁芯、两孔径带有夹角的双孔径超导四极磁体最终束流聚焦方案。最终聚焦双孔径超导四极磁体与加速器全环的磁聚焦结构设计密切相关，其性能直接影响到对撞机能否达到设计指标。该磁体具有空间尺寸紧张、磁场梯度高、电流密度高、两孔径磁场互相干涉严重、磁场精度要求高等特点。本项目将对基于铌钛超导线材的大型对撞机最终聚焦双孔径超导四极磁体进行系统研究，掌握其设计、磁场干涉校正、磁体制作工艺、磁场质量相关影响因素误差分析、低温垂直测试和磁场测量等关键技术。超导四极磁体在加速器中应用广泛，但我国在这方面缺少经验。本项目将提高我国超导磁体技术的研究水平，为未来大型对撞机的建造奠定技术基础，相关技术可应用于其它加速器超导多极磁体中。

最终聚焦双孔径超导四极磁体是下一代大型对撞机的关键设备之一，它的性能与对撞机的关键指标——对撞亮度密切相关。该磁体具有空间尺寸紧张、磁场梯度高、电流密度高、两孔径带有夹角、两孔径磁场互相干涉严重、磁场精度要求高等特点。.通过本项目的开展，我们掌握了基于铌钛超导线材的大型对撞机最终聚焦双孔径超导四极磁体的具有一般性的原理和关键技术。掌握了双孔径超导四极磁体的磁场设计方法、两孔径之间磁场干涉的校正方法，无铁芯、带铁芯双孔径超导四极磁体磁场性能的差异，磁体力学分析和失超分析方法；定量计算了超导四极磁体制作和运行过程中各误差对磁场质量的影响，掌握了离对撞点距离不同时磁场梯度、两孔径磁场干涉的变化趋势，并在减轻磁体重量方面进行了优化研究。.带铁芯的双孔径超导四极磁体有利于解决两孔径的磁场干涉、降低线圈中的电流密度、降低失超保护的难度。磁体半径方向的空间非常紧张，采用了两孔径中间位置共享铁芯的紧凑型双孔径超导四极磁体设计方案。.与国内厂家合作，本项目从零开始，在国内首次成功研制了带梯形畸变角的卢瑟福超导电缆、超导四极线圈绕线机、超导四极线圈加热固化装置、超导四极磁体装配系统。经过大量实验和摸索，掌握了cos2θ型超导四极磁体的超导线圈绕制固化、磁体装配工艺、低温垂直测试等关键技术。.利用掌握的关键技术，本项目成功研制了一台内孔径直径为40mm、磁长度0.5m、中心磁场梯度136T/m的cos2θ型单孔径超导四极实验磁体，顺利通过了低温4.2K垂直励磁测试。磁体励磁电流超过了设计电流2115A，顺利达到2500 A。整个低温励磁过程磁体无失超。这是国内首次自主研制cos2θ型超导四极磁体。.本项目提高了我国超导磁体技术的研究水平，为未来大型对撞机的建造奠定了一定的技术基础。本项目研究取得的成果，不仅可应用于国际、国内未来建造的大型对撞机最终聚焦双孔径超导四极磁体中，也可应用于各种类型加速器的超导四极磁体和其它类型超导多极磁体。