Niob-Zinn-Magnet könnte der Schlüssel zur Erschließung des Potenzials eines Schwerionenbeschleunigers sein

Forscher der Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP)-Abteilung des Berkeley Lab haben sich mit Kollegen der Facility for Rare Isotope Beams (FRIB) der Michigan State University, dem weltweit leistungsstärksten Schwerionenbeschleuniger, zusammengetan, um einen neuen supraleitenden Magneten auf Basis von Niob zu entwickeln. Zinn (Nb3Sn)-Technologie.

Dieser Magnet, der erste seiner Art, könnte die Leistung von FRIB erheblich verbessern und seine Fähigkeiten erweitern und neue Anwendungen in Medizin, Industrie und Forschung eröffnen. Das Papier ist veröffentlicht im Tagebuch IEEE-Transaktionen zur angewandten Supraleitung.

Am FRIB werden Strahlen ionisierter Atome (Ionen) von Elementen aus dem Periodensystem, darunter auch schwere Elemente wie Uran, auf die halbe Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Wenn diese Strahlen mit einem Ziel kollidieren, zerfallen sie und erzeugen kurzlebige Isotope.

Durch die Untersuchung dieser seltenen Isotope, von denen einige noch nie beobachtet wurden, können Wissenschaftler die Struktur der Materie und die Entstehung unseres Universums besser verstehen.

„Eine Schlüsselkomponente von FRIB ist eine Elektronenzyklotronresonanz-Ionenquelle (ECRIS), die Hochstrom-Ionen mit hohem Ladungszustand zur Injektion in die Beschleunigerstrahllinie erzeugt“, erklärt Tengming Shen, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Superconducting Magnet Program (SMP) von ATAP ), der die Entwicklung des neuen Magneten leitet.

„Dieses ECRIS verwendet einen Sextupolmagneten und ein Magnetventil, um die Elektronen und Ionen in einem Plasma einzuschließen. Die Elektronen werden dann mit hochfrequenten (28 GHz) Mikrowellen erhitzt, wodurch hochenergetische Elektronen entstehen, die Elektronen von neutralen Atomen im Plasma abstreifen, um sie zu produzieren.“ Ionen mit hohem Ladungszustand. (Diese Konfiguration, bemerkt Shen, basiert auf dem Versatile ECRIS for Nuclear Science (VENUS)-Design, das im Zyklotronbeschleuniger im Berkeley Lab verwendet wird.)

Dieser im Berkeley Lab hergestellte Sextupolmagnet ist mit supraleitenden Niob-Titan-Spulen (Nb-Ti) umwickelt. Allerdings haben 28-GHz-Nb-Ti-Magnete ein Spitzenfeld von 6,7 Tesla (T) bei den Temperaturen des flüssigen Heliums (4,2 Kelvin, -452,1 °Fahrenheit), bei denen das ECIRS betrieben wird.

Um die Leistung der Anlage zu verbessern und ihr Anwendungsspektrum zu erweitern, muss das ECRIS laut Shen mit Magneten ausgestattet werden, die höhere Magnetfelder erzeugen können, um den Betrieb bei höheren Mikrowellenfrequenzen zu ermöglichen.

„Unser Ziel ist es, die Mikrowellenfrequenz auf über 45 GHz zu erhöhen. Bei dieser Frequenz steigt das Spitzenmagnetfeld auf 10,8 T; allerdings nimmt die Stromtragfähigkeit des Nb-Ti-Materials deutlich ab.“

Zu diesem Zweck wählten die Forscher ein Magnetdesign, das auf supraleitenden Spulen aus Nb3Sn basiert. Spulen aus Nb3Sn können bei viel höheren Magnetfeldern – potenziell bis zu 22 T – eine hohe Stromdichte von mehr als 100 Ampere pro Quadratmillimeter übertragen als die von Nb-Ti bei 4,2 K erzeugten.

Obwohl die supraleitenden Eigenschaften von Nb3Sn die von Nb-Ti übertreffen, unterscheiden sich die Leitereigenschaften von Nb3Sn laut Shen stark von denen von Nb-Ti.

„Zum Beispiel ist Nb3Sn im Gegensatz zu Nb-Ti spröde und spannungsempfindlich. Darüber hinaus unterliegen Spulen aus Nb3Sn während der Herstellung Dimensionsänderungen, was eine bessere Steuerung des Herstellungsprozesses erfordert.“

„Darüber hinaus besteht der Magnet aus kleinen Leitern und nicht aus den großen Rutherford-Kabeln, die in aktuellen Magnetdesigns verwendet werden, und erfordert etwa dreihundert Windungen für jede Spule.“

Er sagt, dass diese Faktoren die Komplexität der Herstellung der Spulen und des Zusammenbaus eines Magneten erhöhen.

„Folglich“, fährt er fort, „ist die Herstellung von Nb3Sn-Spulen eine größere Herausforderung, insbesondere für diesen ersten Magneten seiner Art, für den derzeit kein Bauplan existiert. Daher erfordert die Herstellung eines solchen Magneten umfassende Erfahrung in der Entwicklung und Herstellung supraleitender Magnete.“

Glücklicherweise verfügt das Berkeley Lab über beträchtliche Erfahrung in der Arbeit mit Magneten auf Nb3Sn-Basis. Im vergangenen Jahr hat das Labor beispielsweise erfolgreich den ersten Satz Quadrupolmagnete aus supraleitenden Nb3Sn-Kabeln hergestellt und montiert.

Diese Arbeit ist Teil des laufenden Beitrags des US Accelerator Upgrade Project zum High Luminosity Large Hadron Collider Accelerator Upgrade Project, das darauf abzielt, die Fähigkeiten des Large Hadron Collider zu verbessern und neue Entdeckungen in der Hochenergie- und Teilchenphysik zu versprechen.

Die Entwicklung dieses ECRIS-Magneten „ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie die Forschung und Entwicklung von Hochfeld-Beschleunigermagneten für zukünftige Kollider anderen wissenschaftlichen Anwendungen zugute kommen kann“, sagt Soren Prestemon, stellvertretender Technologiedirektor bei ATAP und Leiter von SMP.

„Darüber hinaus bietet es unserem talentierten Team aus Wissenschaftlern, Ingenieuren und technischem Personal eine hervorragende Gelegenheit, direkt zu neuen und in Betrieb befindlichen Einrichtungen wie FRIB und der Weiterentwicklung der Hochenergiephysikforschung beizutragen.“

Shen sagt, das Team habe bereits zahlreiche magnetische und mechanische Designberechnungen durchgeführt, um die fleckenempfindliche Natur von Nb3Sn in den Griff zu bekommen.

„Wir haben auch den Leiterherstellungsprozess bewertet, Wickel- und Fertigungsversuche durchgeführt und ein neues Design entwickelt, das den Herausforderungen der Spulenfertigung gerecht wird. Wir stehen kurz vor dem Abschluss der Übungsspule, des Werkzeugdesigns, der Fertigungsverfahren und -prozesse.“

Er fügt hinzu, dass die Arbeiten zum Wickeln einer Prototypspule in voller Größe bereits begonnen haben und man beabsichtigt, bald eine Version in voller Länge zu testen, um deren supraleitende Leistung zu überprüfen. Sollte sich der Test als erfolgreich erweisen, sei geplant, ein 28-GHz-System zu entwickeln, zu bauen und zu testen, „mit Blick auf zukünftige Upgrades“.

Laut Jie Wei, Direktor der Accelerator Systems Division am FRIB und leitender Mitarbeiter der Einrichtung bei der Arbeit, wird das neue Magnetdesign auf Basis der Nb3Sn-Technologie „zu einem höheren Magnetfeld als die aktuelle Nb-Ti-Quelle führen und gleichzeitig eine überlegene Leistung bieten.“ Es ermöglicht einen größeren Sicherheitsspielraum und ermöglicht ein neues ECR-Quellendesign für den Betrieb bei höheren Frequenzen (bis zu 45 GHz) und einer höheren Plasmaleistung.

Nach seiner Fertigstellung wird der Magnet „sicherstellen, dass FRIB an der Spitze der wissenschaftlichen Grundlagenforschung bleibt.“