大型强子对撞机的高亮度升级需要为低β内三重态配备新型高磁场、大孔径四极磁体。新四极磁体基于Nb₃Sn超导技术，在150毫米孔径内具有132.2 T/m的标称工作梯度，导体峰值磁场达11.3 T。在研究人员与CERN紧密合作建造一系列短模型后，开发计划正进入系列生产阶段，由CERN和另一方分别进行全长磁体的组装与测试。本文描述了CERN开发活动的现状，特别是首个MQFXB原型的低温通电测试以及第二个全尺寸原型的建造情况。文中讨论了诸如反应热处理、线圈浸渍和磁体组装等关键工序。最后，介绍了系列生产的计划。

　　随着大型强子对撞机的高亮度升级，CERN计划升级对撞区，以期将峰值亮度提高两倍，积分亮度提高十倍。由于对撞点的束流尺寸与实验区域后首个磁体的孔径成反比，高亮度升级项目需要用更大孔径的磁体替换对撞区磁体。对撞区磁体升级的一个关键组成部分是三重态，即实验区域前的头三个四极磁体序列。与当前的三球盟会网页入口重态四极磁体相比，新型磁体将具有更大的孔径、更高的峰值磁场，并采用新的超导材料。Q1/Q3的磁体长度为8.4米，分为两段4.2米的磁体，由美国相关研究项目制造。CERN负责制造用于Q2a和Q2b的、长7.2米的磁体，它们将被集成到一个单一的冷质量中。这两种磁体具有相同的横截面和三维设计（图1）。在研究人员与CERN紧密合作建造一系列短模型后，开发计划正进入组装和测试全长磁体的系列生产阶段。本文提供了首个原型磁体低温通电测试的最新结果、第二个原型的建造活动以及系列生产计划的最新进展。

　　MQXF线圈采用卢瑟福型电缆制造，该电缆由40根直径为0.85毫米的股线微米的不锈钢芯，用以减少股线间的耦合电流。所有系列磁体将使用108/127规格的RRP股线。第二种技术的开发，即192根子元的PIT股线。它已用于建造两个短模型和五个线圈。CERN已接收并验收了9.1吨108/127规格的RRP股线规格的PIT股线。为完成生产所需的剩余1.7吨108/127规格RRP股线年夏季交付。

　　香港星云先进技术有限公司（NAT）是Composite Technology Development（CTD）代理商，我们为客户提供（高性能树脂（环氧树脂、氰酸酯等）、尖端复合材料、压力容器）产品。

　　截至目前，CERN已生产了31根电缆，其中一根因股线交叉而被拒收。另一根电缆因不锈钢芯异常变形而暂停使用。设计假设因成缆导致的临界电流退化率为5%。RRP电缆的平均退化率为3%（图2），而在PIT电缆中退化率为7%至14%。CERN正在进行研发以减少PIT电缆的成缆退化。电缆采用编织S2玻璃纤维绝缘，目标厚度在5兆帕压力下为0.145毫米。

　　线圈制造采用先绕制后反应技术，即超导相在绕制后、线圈热处理过程中形成。短线圈和MQXFA线圈均使用两种不同电缆设计制造：第一代电缆的楔形角为0.55°，以及为减少成缆引起的临界电流退化而将角度减小至0.40°的第二代电缆。所有线圈均采用第二代电缆制造。为修正首批短模型和MQXFA磁体中测得的系统性高阶磁场误差，在线圈制造期间对横截面进行了第二次修改。从线开始，极面绝缘厚度增加了0.125毫米，同时将中平面厚度减少了相同的量。通过这种方法，可以优化线圈匝的方位角位置，且不影响反应过程中的线 线圈生产

　　MQXFB线年，最初是两个铜线圈，随后是两个低性能铌三锡RRP导体线年春季，首个原型磁体线圈的生产启动。由于出现一系列严重不合格项（见图3，红色柱状图），线年暂停了约六个月，以审查制造程序并提高工艺的稳健性。2019年9月线圈制造恢复，生产流程约为每月一个线月以来，已生产了十个合格线圈，一个暂停，一个因绕制期间出现严重不合格项而被拒收。自生产开始以来，共有八个线圈被拒收：两个因绕制过程中的损坏，三个因连接区域的导体损坏，三个因浸渍后线圈与端部部件间的电气绝缘薄弱。五个PIT线圈中有四个被拒收，因此对线圈制造的分析仅集中在RRP线 绕制、固化、反应、浸渍

　　电缆围绕钛制极靴绕制，在直线公斤张力。极靴段之间留有间隙，以允许线圈从绕制张力以及热处理期间导体的收缩中在纵向上收缩。目标是反应后这些间隙能够闭合。最初假设的收缩长度为17.6毫米（2.5毫米/米），分布在16个间隙上。在生产了5个线圈后，总的初始极靴间隙减少到14.4毫米。图4显示了测得极靴间隙的平均值和标准偏差。释放绕制张力后，极靴间的间隙主要在线圈端部减小。反应后，极靴间隙几乎闭合。

　　图4. RRP线圈在绕制前、释放绕制张力后以及反应后，各线段之间的平均间隙（及标准偏差）。

　　第一层绕制完成后，将聚合物衍生陶瓷粘合剂CTD-1202（约60克/米）涂覆到电缆的S2玻璃纤维绝缘层上；粘合剂随后分两步固化，首先在80°C下固化1.5小时，然后在160°C下固化3小时。第二层绕制在第一层之上后，进行相同的操作以获得结构紧凑的线圈。绕制和固化完球盟会网页入口成后，线圈被放入反应模具中，并在氩气流下的烘箱中进行热处理以形成铌三锡超导相。反应过程需要在210°C、400°C和665°C三个温度平台进行。为提高剩余电阻比并保证最小值不低于100，最后一个温度平台的持续时间从75小时减少到50小时。图5显示，得益于热处理时间的缩短，与线圈一同反应的见证样品中测得的剩余电阻比平均提高了100。从线开始，放置在非连接侧的样品显示剩余电阻比显著下降。由于反应夹具密封性的改进，在最近的线圈中，连接侧与非连接侧之间的剩余电阻比差异已显著减小。

　　在将反应后的线圈转移到浸渍模具之前，需在线圈外半径安装包含失超保护加热器的柔性电路。铌钛引线也在浸渍前焊接到铌三锡电缆上，使用锡银合金作为焊料并无卤素助焊剂。线圈在浸渍模具中合模，CTD-101K树脂在60°C下于真空罐内注入。为了在注射前使模具内达到良好的线°C并用氮气冲洗数次。然后冷却到60°C，抽真空，以便进行树脂注射。典型的注射时间为三小时。环氧树脂的固化在2巴压力下分两个平台进行，第一个在110°C下5小时，第二个在125°C下16小时。

　　每个生产步骤之后都进行电气鉴定测试。线圈的最终验收基于浸渍后的电气测试。通过在线千伏放电来验证匝间绝缘的质量。此外，线圈与失超加热器之间的绝缘需验证至3.7千伏的水平。线圈结构的一个关键参数是线圈与极靴之间的绝缘。极靴是悬浮的，失超期间极靴匝上的最大压降为10伏，这意味着线兆欧的电阻即被认为足以确保安全运行。图6显示了浸渍后测得的线圈对极靴的绝缘电阻。由于线圈制造工艺的一系列改进，最近5个线圈的极靴对线. 浸渍后极靴对线圈的电气绝缘电阻。

　　浸渍后，每个线个纵向横截面上进行测量，使用线圈外径和极靴键槽作为三坐标测量机最佳拟合的基准，以复现实际磁体功能配置。在图7中，以箱形图形式给出了每个线圈相对于标称尺寸的方位角偏差：水平线%分位数和最大偏差。沿直线段长度的尺寸变化在最近10个线毫米以内。中位数范围在+0.40毫米到-0.30毫米之间。线使用同一组径向垫片和中平面垫片浸渍，其方位角尺寸接近标称值。线使用了更厚（超出公差）的中平面垫片和径向垫片，导致线圈方位角尺寸比标称值小0.250毫米。从线开始，通过使用标称尺寸的中平面垫片对此进行了修正。线毫米，平均比标称线毫米。大部分偏差来自线. MQXFB RRP线圈相对于标称尺寸的方位角尺寸偏差（左+右中平面）。

　　均匀的预紧力和磁场均匀性需要在组装过程中精确定位和对准线毫米。这个间隙可以通过在图8所示的配置中填充径向聚酰亚胺垫片来弥补。线微米厚的聚酰亚胺层，夹环包裹两层，总厚度为375微米，构成接地平面绝缘。另外预置了两层附加层，以使标称线圈半径与夹环半径匹配，从而适应尺寸偏大的线圈。以测得的线圈平均方位角尺寸作为输入，在线圈的中平面和/或外半径表面安装全长聚酰亚胺片，从而使四个垫片调整后的线圈最终的平均径向和方位角包络线重合。方位角调整方案通常是首选，因为它可以使四个线圈的内表面处于相同的半径，对磁场均匀性有积极影响。径向的目标是使用大约小125微米的垫片，以改善线显示了两台MQXFB原型磁体最终的垫片布局。在线圈组径向尺寸上，MQXFBP1和MQXFBP2分别比标称值小60微米和150微米。

　　MQXF结构的组装过程在相关文献中有详细描述。MQXFBP1和MQXFBP2的预紧遵循与最新短模型和MQXFA磁体相同的四步程序：1）施加一半方位角负载；2）施加一半轴向负载；3）施加全方位角负载；4）施加全轴向负载。轴向加载是通过对称增加端板拉杆的张力（借助活塞拧紧螺栓）同时观察杆的应变和伸长来实现的。MQXFBP1在常温下的纵向预应力为0.6兆牛，目标是在冷却后总力达到1.2兆牛，这对应着标称电流下的纵向电磁力。在MQXFBP2中，纵向预应力目标为0.5兆牛，与MQXFA一致。方位角加载是通过在气囊辅助下将越来越大的过盈键插入键槽，同时观察外壳与极靴的应力来完成的。在第一台原型机中，外壳和线兆帕，线兆帕。每个纵向位置的最大应力分散度约为20兆帕。

　　应力沿长度方向变化的原因之一是线圈方位角尺寸的变化。在通常线微米以内的情况下，绕线极靴处的方位角应力范围在±20兆帕之间。为了证明沿长度方向控制应力变化的能力，在一项使用不合格线结构的机械组装测试中，测试了一种采用圆锥形状来补偿线圈几何形状的加载键。图9显示线圈平均余量在中心区域约大200微米，并将线圈余量与测试中用于补偿线圈几何形状的圆锥形加载键的厚度进行了比较。用圆锥形键替换13.8毫米键的预期效果是磁体两端的外壳应力增加18兆帕，而中心的应力保持恒定。测量结果与预期非常接近。控制沿长度方向应力的可变加载键方法的原理和详细分析见相关文献。

　　磁测量是一种有效的质量保证工具，可以在组装过程中检测微小异常。在室温下，将线圈组件在磁体结构中定心后以及加载完成后，使用旋转轴进行测量。图10比较了两台原型磁体加载后的测量结果。假设线微米（对于不允许误差）和100微米（对于允许误差）的随机误差，测量结果均在目标3σ范围内。只有MQXFBP2中的六极分量高于目标值，但将通过使用磁垫片进行修正。MQXFBP1中测得的六极分量与零单位的目标值相差甚远，这与在短模型和MQXFA磁体中的经验一致。得益于横截面的迭代调整，即增加极面绝缘厚度并将中平面垫片厚度减少0.125毫米，MQXFBP2中的六极分量已接近目标值。两台原型磁体之间六极分量的差异为5个单位，与由于横截面改变而模拟预期的5.3个单位非常接近。

　　图10. 两台MQXFB原型磁体在室温加载后的积分谐波与目标磁场质量的比较。

　　图11. MQXFBP1在标称失超电流下的失超电流。数据与1.9 K下的标称电流、极限电流及短样电流（根据见证样品估算）进行了比较。

　　加载完成后，两块8毫米厚的不锈钢半壳焊接到磁体周围。通过将端盖焊接到由焊接壳体形成的主筒体上，完成冷质量组装。由于无法触及收缩筒体纵向焊缝的背面，选择了永久性背衬带，以便为全熔透的根部焊道提供支撑。不锈钢外壳中的目标预应力为75兆帕，以确保冷却后不锈钢外壳仍与磁体铝壳保持接触。这对应于线兆帕。第一台原型磁体的不锈钢外壳上安装了应变计以验证焊接参数。测得的外壳应力为100至175兆帕，对应于线兆帕，这对于MQXFB磁体被认为是合适的。

　　第一台MQXFB原型磁体于2020年夏季进行了测试。在1.9 K温度下的首次失超发生在15.1千安，相当于短样电流的70%，与其他型号磁体的结果相当。短样极限是基于与线圈一同反应的见证样品中提取的最低股线测量值定义的。磁体在此电流水平被限制，所有失超均发生在同一线千安，对应于负载线的相同百分比。在所有情况下，失超均始于磁体直线千安电流下，失超传播速度为15米/秒，与在短模型和电缆样品中该电流水平下测得的典型失超传播速度相似，这表明是局部缺陷而非线圈的整体性能退化。当增加电流上升速率时，失超电流并未如其他磁体中观察到的那样增加。热循环后，失超电流和位置没有变化，表现出非常一致的行为。

　　保护策略依赖于外层失超加热器和CLIQ系统，并已在无能量提取的短模型和有能量提取的其它原型机上得到验证。在MQXFBP1中同时使用CLIQ和失超加热器，在15.1千安电流下产生的失超负载为25 MIITs，对应的热点温度为170 K。在16.23千安的标称电流下，模拟预期的绝热热点温度为230 K。图12比较了MQXFBP1测得的从失超开始和从保护触发开始的失超负载，以及使用LEDET计算出的预期失超负载。在15.1千安下，MQXFBP1从保护触发开始的失超负载约为22 MIITs，比预期低10%。

　　图12. 使用LEDET计算的以及MQXFBP1中测量的失超积分与电流的关系。

　　磁传递函数定义为梯度与磁体电流之比。表I总结了在室温下、室温加载后、80 K温度下以及在13.6千安电流下的积分传递函数。积分磁场比参考设计大1.3%，该设计未包含由于加载和冷却导致的径向线）。这与短模型磁体的经验一致。约1%的差异来自于冷却和通电期间径向变形导致的磁场增加，这在原始设计中未予考虑。剩余的0.3%是由于标称磁体长度与实际长度不匹配造成的。考虑到测量结果的反馈，MQXF磁体的标称参考电流已从16.47千安降低至16.23千安。极限电流降低了400安培，从17.89千安降至17.50千安，因为原始估计值相对于能量从7 TeV缩放至7.5 TeV而言，其数值大约偏大了1%。标称梯度从132.6 T/m降至132.2 T/m，线 T。表II总结了在更新标称电流和极限电流后的主要磁体参数。

　　图13. 使用ROXIE计算的以及MQXFBP1中测量的积分传递函数与电流的关系。

　　用于高亮度升级项目的MQXFB四极磁体的开发正朝着完成原型阶段并进入系列生产阶段推进。迄今为止，已制造出14个合格的MQXFB线圈，第一台原型机已完成测试，第二台原型机的组装也已完成。导体采购接近完成，在对制造工艺进行深入审查后，线圈制造已恢复，平均生产率为每月一个线圈。线圈制造是决定生产进度的关键。2021年的计划是制造前两台系列磁体。

　　第一台原型机MQXFBP1的性能受限，达到的电流为15.1千安，相当于大型强子对撞机6.5 TeV的运行能级。在4.5 K温度下的失超电流低1千安，在两个温度水平下均对应短样极限的70%。没有观察到类似其他磁体报告中出现的反常或不稳定行为的迹象。目前正在进行磁体拆卸，以了解性能限制的根源。第二台原型机的组装已完成，测试计划于2021年初进行。

　　香港星云先进技术有限公司（NAT）是Composite Technology Development（CTD）代理商，采购（高性能树脂（环氧树脂、氰酸酯等）、尖端复合材料、压力容器）请立即联系我们。

　　声明：本文由入驻搜狐公众平台的作者撰写，除搜狐官方账号外，观点仅代表作者本人，不代表搜狐立场。