科学家为下一代光源创建先进，功能更强大的超导磁体

这个半米长的铌锡超导起伏器磁体原型是由美国能源部三个国家实验室的团队设计和制造的。下一步将建立一个米长的版本，并将其安装在Argonne的Advanced Photon Source上。照片：易卜拉欣·凯斯金（Ibrahim Kesgin），

经过15年多的工作，美国能源部三个国家实验室的科学家成功创建并测试了一种由铌和锡制成的先进，功能更强大的超导磁体，用于下一代光源。

有了足够强大的灯光，您可以看到人们曾经认为不可能的事物。大型光源设施产生强大的光，科学家使用它来制造更耐用的材料，制造更高效的电池和计算机，并更多地了解自然界。

当建造这些庞大的设施时，空间就是金钱。如果您可以从较小的设备中获得较高能量的光束，则可以节省数百万美元的建设成本。此外，还有机会大大改善现有光源的功能，并且您有一个项目的动机，该项目将美国三个能源部国家实验室的科学家们召集在一起。

这个团队刚刚实现了一个重要的里程碑，该里程碑已经开展了15年以上：他们已经设计，建造并全面测试了一种新的，最新的半米长原型磁体，该磁体可以满足在现有和将来的光源设施中​​使用的要求。

美国能源部阿贡国家实验室杰出研究员埃菲姆·格卢斯金（Efim Gluskin）表示，下一步就是扩大该原型，建造一个超过一米长的原型，并将其安装在美国能源部科学办公室的Advanced Photon Source上。 Argonne的设施。他说，尽管这些磁铁将与APS之类的光源兼容，但真正的投资是在尚未建成的下一代设施中。

“这项技术的真正规模是针对未来的自由电子激光设备，” Gluskin说。“如果减小设备的尺寸，则可以减小隧道的尺寸，如果可以，则可以节省数千万美元。那有很大的不同。”

这个长期目标使Gluskin和他的Argonne同事与美国能源部实验室的劳伦斯·伯克利国家实验室和费米国家加速器实验室的科学家进行了合作。每个实验室几十年来一直在追求超导技术，并且近年来致力于将铌和锡结合在一起的化合物的研究和开发工作。

这种材料保持超导状态，这意味着即使它产生高磁场，它也不会对流过它的电流产生任何阻力，这使其非常适合制造波状起伏磁体。像APS之类的光源通过吸收电子在存储环内循环时释放的能量来产生光子束（光粒子）。起伏器磁体是将能量转换为光的设备，并且通过它们产生的磁场越高，相同大小的设备可以产生的光子就越多。

目前在APS上安装了一些超导波状起伏磁体，但它们是由铌钛合金制成的，几十年来一直是其标准。伯克利实验室的高级科学家Soren Prestemon认为，铌钛超导体对较低的磁场有好处-在约10特斯拉时它们不再超导。（这是普通冰箱磁铁的8,000倍。）

Prestemon说：“铌-3-锡是更复杂的材料，但它能够在更高的磁场中传输电流。它具有高达23特斯拉的超导性，在较低的磁场中它可以承载的电流是铌钛的三倍。这些磁铁会保持在4.2开氏温度（约华氏-450度）的低温，以使其保持超导状态。”

Prestemon一直处于伯克利的铌3锡研究计划的最前沿，该计划始于1980年代。在Argonne开发的新设计以Prestemon及其同事的先前工作为基础。

他说：“这是第一款既符合设计现行规范又经过光束传输磁场质量测试的铌-3-锡起伏器。”

据萨沙·兹洛宾（Sasha Zlobin）说，费米实验室（Fermilab）在1990年代开始使用这种材料，他在那里发起并领导了铌3锡磁铁计划。费米实验室（Fermilab）的铌3锡计划的重点是用于粒子加速器的超导磁体，例如瑞士CERN的大型强子对撞机以及即将在费米实验室现场建造的即将推出的PIP-II线性加速器。

Zlobin说：“我们的高磁场铌3锡磁体已经证明了成功。”“我们可以将该知识应用于基于该超导体的超导波动器。”

根据该团队的研究，过程的一部分一直在学习如何避免磁铁接近期望的磁场强度时过早地淬火。当磁体失去无电阻传导电流的能力时，所产生的反冲称为失超，它会消除磁场并会损坏磁体本身。

该团队将在IEEE应用超导事务中报告说，与APS上现有的铌钛超导波荡器相比，他们的新设备在具有更高磁场的情况下可容纳近两倍的电流。

该项目借鉴了Argonne在制造和操作超导波荡器方面的经验以及Berkeley和Fermilab对铌3锡的了解。费米实验室（Fermilab）帮助指导了这一过程，为选择超导线材提供了建议，并分享了其技术的最新发展。伯克利设计了一个最先进的系统，该系统使用先进的计算技术来检测失超并保护磁体。

在阿贡（Argonne），原型是由一组工程师和技术人员在项目经理易卜拉欣·凯斯金（Ibrahim Kesgin）的指导下设计，制造，组装和测试的，由尤里·伊万尤申科夫（Yury Ivanyushenkov）领导的APS超导波荡器团队的成员对设计，建造和测试做出了贡献。

该研究小组计划在APS的1区安装完整尺寸的原型，该原型将于明年完成，该单元利用更高能量的光子束窥视较厚的材料样本。这将是该设备的试验场，表明它可以在工作光源下以设计规范运行。但是，格卢斯金说，但是，人们的目光是将铌钛和铌3-锡这两种技术转让给工业合作伙伴，并为未来的高能光源设施制造这些设备。

格卢斯金说：“关键是在实验室和能源部研发基金的支持下，稳定而持久的工作。”“达到这一点是逐步的进步。”