超导在加速器中的应用概况

文中简要回顾了世界上已建造的大型超导加速器,重点介绍未来的超导加速器方案,对超导新材料在加速器中的应用研究以及我国超导在加速器中的应用研究情况作了简要介绍.     

科苑快讯

 1.我国高温超导材料及磁体研制获重大进展 《超导通讯》1994年第6期报道: （1）最近西北有色金属研究院在所承担的高温Bi系带材及Y系大块材料研究方面获得重大进展,使我国高Tc超导材料达到一个新水平。到11月初,共制备Bi-2223/Ag轧制长带数百米,单带长度以可达近百米,其中24米长带77K下可通过13.5安培电流,Jc为7×10³A/cm²,达到国际先进水平,用Bi-2223/Ag长带绕制饼状线圈,四个双饼串联组合成的高温超导磁体,在4.2K下通过56A电流,中心磁场达到4500高斯,标志着我国在高温超导Bi系材料应用研究上迈上一个新台阶,在Y系大块材料的研制上,研制成一批直径大于35mm的具有定向生长大晶畴的块材,其磁悬浮力大大提高,最高性能为3.4牛顿/cm²,达到国际先进水平,用这种材料研制成了超导磁浮列车演示装置及高达50000转/分转速的超导轴承,预示着这种材料应用的广泛前景。     

美妙的超导应用

 超导态是物质的一种独特状态,它的新奇性,立刻使人想到将它用到技术上。自20年代起,人们对超导应用的热情总比对超导机理研究要高;到80年代高温超导材料问世后,这种热情就更为炽烈。目前超导的应用正在许多领域里迅速发展,其景况十分美妙和诱人。     

射频超导腔的研究新进展

 射频超导谐振腔已经大规模地应用到粒子加速器领域,其优越之处在于它可以在CW模式或长宏脉冲模式下,提供高的加速梯度。射频超导已经成为自由电子激光和能量回收直线加速器的关键技术。经过30多年的研究发展,解决了超导腔的热崩溃、场致发射等诸多关键问题,目前加速梯度已经超过40 MV/m。高加速梯度的获得是射频超导领域的前沿热点,电抛光＋低温热处理技术使射频超导腔的加速梯度提高3～4 MV/m。最新发展起来的超导腔的干式处理可以改善超导腔的表面状况,提高超导腔的Q值,抑制次级电子发射效应,有可能成为提高超导腔性能的又一有效手段。     

射频超导腔的研究新进展

射频超导谐振腔已经大规模地应用到粒子加速器领域,其优越之处在于它可以在CW模式或长宏脉冲模式下,提供高的加速梯度。射频超导已经成为自由电子激光和能量回收直线加速器的关键技术。经过30多年的研究发展,解决了超导腔的热崩溃、场致发射等诸多关键问题,目前加速梯度已经超过40 MV/m。高加速梯度的获得是射频超导领域的前沿热点,电抛光＋低温热处理技术使射频超导腔的加速梯度提高3～4 MV/m。最新发展起来的超导腔的干式处理可以改善超导腔的表面状况,提高超导腔的Q值,抑制次级电子发射效应,有可能成为提高超导腔性能的又一有效手段。     

超导材料、理论新进展及应用前景

 自从1911年卡末林·昂尼斯首次发现超导电性以来,已经历了四分之三世纪以上的岁月了.然而,人类对超导电性的研究和应用仍然没有达到完美的境地.尽管如此,超导电性学科和技术仍已步入它的青壮年时期,并且人们认识到:一旦室温超导材料被发现,则人类现代技术文明的一切都将随之发生巨大变革.一、高温氧化物新超导材料的发现直到1985年,人类发现的超导材料的超导转变温度T_c都较低,只能在液态氦温度下工作,这个条件限制了超导技术的应用.想方设法提高T_c是几十年来人们努力寻求的目标,其中一个方向就是研究氧化物超导体.这始于几十年前,从当时的尺度来看,已获得T_c值不算很低的研究结果,因而一直受到关注.     

超导及其应用前景

自1911年卡末林-昂内斯(Heike Kamerlingh Onnes)发现超导电性以来，90多年过去了．迄今，在这一领域研究的科学工作者，有五批获得了诺贝尔奖．它们标志着在开拓这一研究的领域中具有的突破性的进展，基于这些进展取得了重大应用的前景或在理论概念上确立了对其他研究领域也有相当可借鉴处的成果．这一领域的理论研究及应用开发在21世纪仍是重要科学前沿课题；     

Nb_3Al超导材料及磁体制备技术的研究进展

Nb3Al超导材料在高场下具有非常高的临界电流密度以及优异的应变容许特性,被认为是高场磁体应用的理想材料.但由于Nb3Al超导材料成相反应过程的特殊性导致其制备难度极大,成为目前实用化低温超导材料研究领域的热点和难点.本文对目前国内外Nb3Al超导材料及磁体制备技术的研究进展进行了系统分析,对未来发展的趋势进行了探讨.     

基于超导直线加速器的XFEL初步方案

基于超导直线加速器的X射线自由电子激光（XFEL）是自由电子激光领域未来发展的一个重要方向。介绍了国际上Euro-XFEL及LCLS-II等超导XFEL装置的设计建造现状。在此基础上提出基于一台7 GeV超导直线加速器的超导XFEL初步方案,给出主要设计参数,并讨论实现100~1000 GW量级峰值输出功率的技术路线,包括提高峰值流强、采用波荡器磁场渐变技术等。     

基于超导直线加速器的XFEL初步方案

基于超导直线加速器的X射线自由电子激光(XFEL)是自由电子激光领域未来发展的一个重要方向。介绍了国际上Euro-XFEL及LCLS-II等超导XFEL装置的设计建造现状。在此基础上提出基于一台7GeV超导直线加速器的超导XFEL初步方案,给出主要设计参数,并讨论实现100~1000GW量级峰值输出功率的技术路线,包括提高峰值流强、采用波荡器磁场渐变技术等。     

超导直线电机结构参数对性能影响

高温超导直线电机作为电磁弹射的动力核心,需要具备稳态推力大和推力稳定性高的特点.本文利用有限元仿真分析法,分析了定子背铁厚度、气隙长度、极矩以及超导磁体内径等结构参数对电机稳态推力、推力波动、气隙磁场垂直分量和铁心损耗的影响.由仿真数据得出：增大定子背铁厚度,铁心损耗有先增大后下降的变化趋势;极矩逐渐增大时,稳态推力先增大后减小,但是极矩的增大会带来电机推力波动的增大;增大超导磁体内径,电机稳态推力平均值升高.结果表明本次研究达到了增大推力以及提高推力稳定性的目的,并对后续超导直线电机结构优化提供了可靠依据.     

工作在可见和紫外波段的自由电子激光器

Madey指出用直线加速器,限制了电子束束流密度,使得自由电子激光器可能达到的短波长极限为1μm左右。本文提出利用自由电子激光器的高次谐波运转,用直线加速器可望获得可见和紫外波段的短波长激光。实现自由电子激光器高次谐波运转的关键是建立高K值的Wiggler磁场。     

超导材料的发展与研究现状

新型超导材料一直是人类追求的目标。该文主要从超导材料的探索与发现、制备技术、基础研究面临的挑战等几个方面来探讨超导材料的发展与研究现状。     

神奇的超导

电阻起源于载流子(电子或空穴)在材料中运动过程中受到的各种各样的阻尼.按照材料的常温电阻率从大到小可以分为绝缘体、半导体和导体.绝大部分金属都是良导体,他们在室温下的电阻率非常小但不为零,在10^-12 mΩ·cm量级附近.自然界是否存在电阻为零的材料呢？答案是肯定的,这就是超导体.当把超导材料降到某个特定温度以下的时候,将进入超导态,这时电阻将突降为零(图1),同时所有外磁场磁力线将被排出超导体外,导致体内磁感应强度为零,即同时出现零电阻态和完全抗磁性.超导态开始出现的温度一般称为超导临界温度,表示为T_c.微观上来说,当超导材料处于超导临界温度之下时,材料中费米面附近的电子将通过相互作用媒介而两两配对,这些电子对将同时处于稳定的低能组态,叫“凝聚体”.在外加电场驱动下,所有电子对整体能够步调一致地运动,因此超导又属于宏观量子凝聚现象.对于零电阻态,实验上已经证实超导材料的电阻率小于10^-23 mΩ·cm,在实验精度允许范围内已经可以认为是零.如果将超导体做成环状并感应产生电流,电流将在环中流动不止且几乎不衰减.超导体的完全抗磁性并不依赖于超导体降温和加场的次序,也称为迈斯纳(Meissner)效应.一个材料是否为超导体,零电阻态和完全抗磁性是必须同时具有的两个独立特征.     

直线加速器超导段故障补偿的人工智能算法研究

强流直线加速器的长时间稳定运行是该领域的难点和前沿课题之一。以加速器驱动嬗变研究装置(CiADS)的加速器为例,利用TraceWin软件模拟的虚拟加速器数据,提出了基于人工智能算法的超导腔失效的分段故障补偿方法。当有腔体故障时,故障腔的相邻器件将用于重新匹配束流包络,而所有下游腔均可用于补偿束流能量。与传统的优化方法相比,该方法可实现低能耗的超导腔段的故障补偿,具有计算速度快、普适性强等优点,为实际应用器件故障补偿提供了新的可行性。     

超导质子直线加速器的分段研究

对超导直线加速器的分段进行了详细的研究.包括超导加速器的分段原则的讨论,对称性分段和非对称性分段的讨论.超导加速腔的加速单元数及设计值β_G的确定,加速器的能量增益的确定.     

射频超导技术与ERL技术新进展

射频超导谐振腔可以工作在连续波或长宏脉冲模式. 射频超导技术已发展为加速各种带电粒子束的重要手段. 射频超导技术发展的前期受材料性能、腔的处理以及加工安装水平等的限制. 经过几十年的不断改进, 射频超导技术获得了重大突破. 射频超导腔应用到超导加速器上并成功运行, 积累了腔的质量控制工艺和工业化制备的大量经验. 近期国际上面对未来大科学装置项目, 在射频超导技术方面进行了大量的研发工作, 主要包括提高超导腔加速梯度的新腔型研究和采用新型材料(大晶粒铌材)超导腔的研究. 能量回收直线加速器(ERL)技术是近年来获得发展的重要加速器技术. ERL具有高效、节能、稳定性好、低辐射水平等优势, 被越来越多地应用到先进光源和自由电子激光装置中.     

超导简史

 超导现象最初是1911年由荷兰物理学家昂内斯(Onnes)发现的。1908年,昂内斯首次获得液化的氦,并且在液氦温度(4.2K)下研究各种物质的电学特性。他发现,在温度为4.2K时,汞的电阻突然消失。1933年,迈斯纳(Meissner)和奥森菲尔德(Os-chenfeld)发现,处于弱磁场中的超导体会将磁场从内部排斥出来(见图1),这就是迈斯纳效应。1945年,俄罗斯物理学家阿卡迪也夫(Arkadiev)利用这一特性首次演示了将一块小的条形磁铁悬浮于超导体的上方的实验(见图2)。随后而来的几十年,其他超导材料--金属、合金、化合物的超导材料相继找到。