伯克利实验室的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的稀有同位素束(FRIB)设施的同事们合作，研发了一种新型超导磁体，基于铌锡(Nb3Sn)技术。
这种磁体是同类产品中的首个，能够显著提升FRIB的性能并扩展其功能，从而在医学、工业和科研领域开辟新的应用前景。这项研究成果已发表在《IEEE应用超导学报》上。
在FRIB，来自元素周期表的离子束（包括铀等重元素）被加速至光速的一半。当这些束流与目标物质碰撞时，会发生裂变，生成短寿命的同位素。
通过对这些稀有同位素的研究，科学家们能够更深入地理解物质的结构以及宇宙的形成过程。
“FRIB的一个重要组成部分是电子回旋共振离子源(ECRIS)，它能够产生高电流和高电荷状态的离子，并将其注入加速器束流线，”ATAP超导磁体项目(SMP)的研究员沈腾明表示，他负责新磁体的开发。
“这种ECRIS利用六极磁铁和螺线管来限制等离子体中的电子和离子。随后，通过高频(28GHz)微波加热电子，产生高能电子，从中性原子中剥离电子，形成高电荷状态的离子。”（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。）
这个六极磁铁由伯克利实验室制造，采用超导铌钛(Nb-Ti)线圈。然而，在ECRIS工作的液氦温度(4.2开尔文，-452.1华氏度)下，28 GHz Nb-Ti磁体的峰值场为6.7特斯拉(T)。
沈表示，为了提升设备性能并扩大应用范围，ECRIS需要使用能够产生更高磁场的磁铁，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升至45千兆赫以上。在此频率下，峰值磁场可增至10.8 T；然而，铌钛材料的载流能力会显著下降。
因此，研究人员选择了一种基于Nb3Sn超导线圈的磁铁设计。由Nb3Sn制成的线圈能够在更高的磁场下承载每平方毫米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。
尽管Nb3Sn的超导性能优于Nb-Ti，但其导体特性与Nb-Ti有很大不同。
“例如，Nb3Sn相较于Nb-Ti更脆，对应变更为敏感。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严格的管理。
“此外，这种磁铁由小导体构成，而不是目前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线圈的难度更大，尤其是对于这种尚无蓝图的创新磁铁。因此，制造这样的磁铁需要丰富的超导磁体设计和制造经验。”
幸运的是，伯克利实验室在Nb3Sn基磁铁的研究方面积累了丰富的经验。例如，去年，该实验室成功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，旨在提升大型强子对撞机的能力，期待在高能和粒子物理领域取得新发现。
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，展示了未来对撞机的高场加速器磁体研发如何惠及其他科学应用。”
“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。”
沈表示，团队已经进行了大量的磁性和机械设计计算，以管理Nb3Sn的脆弱性。
“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，以应对线圈制造的挑战。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，计划很快测试一个全长版本，以验证其超导性能。他表示，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，同时提供更高的安全裕度和卓越的性能。”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在基础科学研究的前沿。”
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