Процесс создания магнитов для ускорителей представляет собой сложную инженерно-физическую задачу, требующую высокой точности и соблюдения строгих технологических норм. Магниты ускорителей делятся на несколько основных типов: дипольные, квадрупольные, секступольные и более высоких порядков. Каждый тип магнита предъявляет специфические требования к материалам, геометрии и калибровке магнитного поля.
Ферромагнитные сплавы Основой магнитов служат железоникелевые и железокобальтовые сплавы, обладающие высокой магнитной проницаемостью. Их выбор обусловлен необходимостью создания стабильного поля и минимизации гистерезиса. Для высокопольных магнитов часто применяют сплавы с легированием для уменьшения коэрцитивной силы и повышения однородности поля.
Сверхпроводящие материалы Для сверхпроводящих магнитов используются сплавы Nb-Ti и Nb₃Sn. Они позволяют создавать интенсивные поля (до 10–15 Тл) при температурах жидкого гелия (4,2 K). Применение сверхпроводимости требует особых технологий намотки катушек и криогенной изоляции.
Диэлектрики и изоляционные материалы Используются эпоксидные смолы, политетрафторэтиленовые пленки и композитные материалы, способные выдерживать высокие электрические поля и механические нагрузки.
Дипольные магниты Основной задачей является обеспечение постоянной кривизны поля вдоль всего магнита. Для этого сердечник собирается из ламинированных пакетов электротехнической стали толщиной 0,5–1,0 мм, скрепленных при помощи болтов или пресс-форм. Ламинирование снижает вихревые токи, уменьшая потери энергии и нагрев.
Квадрупольные и мультипольные магниты Фокусирующие элементы ускорителей требуют высокой точности профиля полюсов. Полюсные наконечники обрабатываются методом шлифовки и электроэрозионной обработки с допуском на размеры до 10–20 мкм. Конструкция магнитного сердечника учитывает минимизацию гармоник высших порядков, влияющих на динамическую стабильность пучка.
Секступольные и октупольные магниты Используются для коррекции нелинейных эффектов в пучке. В них критична точность расположения каждого полюса, достигаемая сборкой на монтажных станках с координатной точностью до 5 мкм.
Катушки для нормальных магнитов Медные катушки создаются методом витковой намотки, с последующим прессованием и пропиткой эпоксидной смолой. Важно обеспечить равномерный зазор между витками и минимизировать воздушные промежутки для предотвращения локальных размагничиваний.
Сверхпроводящие катушки Процесс включает несколько этапов:
Сборка магнита ускорителя включает интеграцию сердечника, катушек и системы охлаждения. Для сверхпроводящих магнитов критически важна точность центровки катушек и минимизация механических напряжений, которые могут привести к переходу в нормальное состояние (quench).
Контроль геометрии и магнитного поля
Для тепловой стабильности нормальных магнитов применяются водяные каналы или жидкостные радиаторы. Для сверхпроводящих магнитов обязательна криогенная система с использованием жидкого гелия или гелиевого охлаждения с открытым/замкнутым контуром. Расчет теплового баланса включает анализ потерь на вихревые токи, джоулевы нагревы и теплопроводность материалов.
Магнитные измерения
Механические и электрические испытания
Эффективное сочетание материаловедения, точной механики и электро-магнитной инженерии определяет качество и долговечность магнитов для современных ускорителей.