核心技术

先进的超导技术是 FCC 研究的核心。能源前沿机器的两个主要技术挑战是开发更强大的偶极磁铁（16 T，大约是 LHC 的两倍）和能够满足 FCC 要求的新一代超导体。CERN 启动了 16 T 磁铁计划，与针对 15 T 的美国计划以及与分布在世界各地的研究机构和行业的雄心勃勃的 FCC 导体开发计划相协调（CERN Courier  2018 年 5 月第 40 页）。

图 3

铌锡 (Nb 3 Sn) 是 FCC 磁铁开发计划的主力军。这项工作的第一个突破性成果出现在 2015 年，当时赛道模型线圈 (RMC) 配置中的 Nb 3 Sn 磁铁达到了 16.2 T 的磁场（CERN Courier  2015 年 11 月第 8 页）。下一个目标是创建增强型 RMC (ERMC)，在 4.2 K 的温度下达到 16 T 的中平面场，裕度为 10%。今年 4 月，第一个 ERMC 线圈在 CERN 成功绕制（图 2，左图），一个演示装置将在夏末推出。拟议的 FCC-hh 对撞机的高场磁铁需要 7000-9000 吨 Nb 3Sn 超导线材，对超导行业具有重大意义，同时促进了该技术在高能物理以外领域的应用。

FCC 导体开发计划旨在在最初的四年内满足 FCC 高场磁铁的挑战性要求。第一个结果非常有希望：仅在一年内，Nb 3各种国际合作伙伴生产的 Sn 超导线材已实现与 HL-LHC 导线相同的性能（图 3），并且有强有力的指标表明它可以实现更加雄心勃勃的导线目标（在性能和成本方面）为 FCC。FCC 磁铁开发计划在未来五年内将需要 6 吨超导线材用于研发和模型磁铁的建设，这对欧洲及其他地区的导线制造商来说是一个巨大的机会。CERN 还推出了一个名为 EASITrain 的 Marie-Curie 培训网络，以推进我们对超导材料的了解并考虑到大规模工业化（CERN Courier  2017 年 9 月第 31 页）。

图 4。

FCC 的另一项关键技术是先进的超导射频 (RF) 腔。正在与意大利的 LNL-INFN 和美国的 JLAB 合作开发包括单电池、四电池 400 MHz 和五电池 800 MHz 腔在内的一系列腔设计，以涵盖 FCC- ee（图 4）。CERN 在超导 RF 腔方面的最新进展令人着迷，具体的研发计划正在进行中（CERN Courier  2018 年 4 月第 26 页）。LEP 和 LHC 已经采用的超导镀铌铜腔技术正在迅速发展，FCC-ee 实现了 4.5 K 的性能，可与 2 K 的铌射频腔竞争。

HIE-ISOLDE 中安装的铌铜腔的当前结果证明了该技术的出色性能，实现了 60 MV/m 的峰值表面场。另一个关键进展是使用新型电液成型技术快速成型腔体，该技术是与总部位于法国的 Bmax 公司合作开发的技术，以及使用 Nb 3 Sn 薄膜进行溅射测试以获得更高效的射频腔体的有希望的结果。此外，正在与 CLIC 团队合作开发新的速调管聚束技术，可以将射频功率生产效率提高 90%（与目前的平均水平 65% 相比）。最后，用于 FCC-ee 电弧的低场低功率（和低成本）双孔径偶极子和四极子磁铁的原型已在 CERN 构建和测试。

图 5。

总而言之，与 LHC 和 LEP 相比，FCC 面临的新挑战需要许多新颖的特殊技术，以实现可靠和可持续的运行。新的提取系统、控制光束的喷射器和准直器、强大的真空系统和在新的 FCC 机制下处理光束效应的新方法，只是几个例子。这些努力已经产生了一种新的束屏设计（图 5），以应对高能质子束的高同步辐射，其第一批原型目前正在德国卡尔斯鲁厄研究加速器 (KARA) 进行测试。

冷却探测器和加速器磁铁是这种规模的研究基础设施的另一个主要挑战，需要低于 2 K 的巨大低温制冷能力。 与专业的工业合作伙伴合作，对涡轮压缩机和新的冷却剂混合物进行了重要研究。在即将发布的 CDR 完成后，将启动原型设计阶段。

图 6。

赢得跨国合作

考虑到所需资源的巨大规模，能够显着扩展 LHC 能量覆盖范围的对撞机需要多年的跨国合作。FCC 年度会议期间年轻参与者的数量不断增加，这是该研究未来的积极指标。而且，大量行业参与FCC研究和支持Horizon 2020项目也不足为奇。毕竟，正如过去的大型科学项目所证实的那样，其中许多挑战也是技术突破的机会。

图 7。

在 2018 年 FCC 周期间展示的大量结果将有助于为欧洲粒子物理战略的更新提供信息，该战略需要在年底前提交书面意见（CERN Courier 2018 年 4 月第 7 页）。正如 CERN 总干事 Fabiola Gianotti 在阿姆斯特丹活动开幕式上所说的那样，“鉴于 CERN 在建造和运行高-能源加速器、现有的强大加速器综合体，以及我们继续升级的可用基础设施。” 该实验室在所有必要技术领域的悠久历史和强大专业知识，以及它促进国际合作以扩大此类大型项目影响的能力，为开展后 LHC 冒险提供了理想的基地。

恢复

欧洲核子研究中心

L'étude sur un futur Collageneur circulaire (FCC), lancée en 2014, 想象 la Construction au CERN d'un tunnel de 100 km de circonférence pour accueillir les碰撞神经 qui succéderont au LHC。Ce projet International promet des mesures précises du boson de Higgs, et plus généralement une plongée dans un territoire entièrement inexploré, grâce à des碰撞质子-质子à une énergie de 100 TeV。S'appuyant sur des Proposals formulées en 2010 déjà, la R&D associée à l'étude FCC a progressé rapidement。Des scientifiques et des ingénieurs du monde entier se sont réunis à Amsterdam, du 9 au 13 avril, pour la semaine de la Cooperation FCC 2018, afin de définir les objectifs clés pour le rapport préliminaire de Conception sur doles 'ici à la fin de cette annee。

进一步阅读

A Blondel 和 F Zimmermann 2011 arXiv:1112.2518。

F Zimmermann 2013 EuCARD-REP-2013-008。

J Gao 2017  Int. J. 国防部 物理 A  32  1746003.

M Benedikt 和 F Zimmermann 2016  J. Korean Phys. 社会。 69  893.

M Mangano (ed.) 2017 arXiv:1710.06353。

M Bicer 等人。2014  J. 高能物理。 1  164.

J Ellis 等人。1998 CERN-SL-98-004-AP；CERN-EP-98-003 ; CERN-TH-98-033。

T Sen 和 J Norem 2002 Phys。修订规范。 最佳。加速。梁 5  031001。

关于作者

弗兰克·齐默尔曼和迈克尔·本尼迪克特，欧洲核子研究中心。

来源： CERN COURIER – 第 58 卷第 5 期 – “Cern 认为更大/未来对撞机 – 核心技术”一章

下载文章