이중 두께 선재를 이용한 액시온 검출용 고온초전도 자석

Abstract

본 논문에서는 액시온 검출을 위한 18 T 70 mm 고온초전도 자석을 설계하기 위하여 이중 두께(Dual-Thickness, DT) 기법을 제안하였다. 또한, 제안한 DT 기법에 더불어 무절연(No-Insulation, NI) 권선법, 다중 폭(Multi-Width, MW) 기법을 통합적으로 적용하여 설계하는 방법을 제안하였다. 제안된 방법으로 설계된 최종 디자인은 다른 설계 기법과 비교하여 설계 타당성을 검증하였으며, 제작 및 성능평가를 통해 디자인의 안정성을 검증하였다. 액시온은 고자기장 아래에서 2개의 편광된 포톤(photon)으로 변환되는 Primakoff 효과를 사용하여 액시온 검출 haloscope 실험을 진행한다. 따라서 변환된 포톤을 검출하기 위해 자석의 보어(bore) 내부에 검출용 캐비티(cavity)를 설치하고, 그 캐비티 내부는 고자기장을 균일하게 발생시켜야 한다. 이에, 자석의 중심 자기장 18 T와 직경 70 mm 길이 200 mm의 캐비티(cavity) 내에 중심자기장의 90%인 16.2 T 이상을 발생시켜야 한다. 이러한 높은 성능조건을 만족하기 위하여, 임계전류와 임계자기장이 높은 REBCO 고온초전도 선재를 사용하였으며, 최신의 고온초전도 자석 기술인 무절연 기법과 다중 폭 기법들을 도입하였다. 이에 더하여, 본 연구에서 제안하는 두 가지 두께의 고온초전도 선재를 혼합 사용하는 이중 두께 기법을 적용하여, 18 T 70 mm 고온초전도 자석을 설계하였다. 이런 이중 두께 기법을 추가 적용함으로서, 기존의 단일 두께로 구성된 고온초전도 자석에 비해 더 높은 성능을 달성하였다. 본 연구에서 최초 제안하는 이중 두께 기법에서 고온초전도 선재의 두께가 120 μm인 선재와 135 μm인 선재를 혼합 사용하여, 고온초전도 자석의 임계전류 향상과 자기장 균일도 향상, 그리고 소요되는 고온초전도 선재의 양을 감소시키는 효과를 얻을 수 있었다. 성능 지수를 도입하여 단일 두께의 설계안과 이중 두께 기법이 적용된 설계안을 비교 검증하였다. 마지막으로 이중 두께 기법이 적용된 설계안을 바탕으로 고온초전도 자석 시스템을 제작하였고, 성능평가를 수행하여 제안된 설계안을 검증하였으며, 성능평가는 극저온 액체 질소와 액체 헬륨 환경에서 진행하였다. 성능평가 실험에서는 목표한 중심자기장 18 T보다 높은 18.7 T를 달성하였고, 자기장 균일도를 직접 측정하여 제안된 설계안의 타당성을 검증하였으며, 캐비티 내의 공간 자기장은 중심자기장 대비 93% 이상의 균일한 자기장을 형성하였다. 개발된 18 T 70 mm 고온초전도 자석은 기초과학연구원(IBS, Institute for Basic Science)의 액시온 및 극한상호작용 연구단(CAPP, Center for Axion and Precision Physics Research)에서 액시온 검출 실험을 위해 장기간 실증 운전 되었으며, 이를 바탕으로 고온초전도 자석의 안정성이 검증되었다.

In this paper, a dual-thickness (DT) technique was proposed to design an 18 T 70 mm high temperature superconducting (HTS) magnet for axion detection. Also, a design method integrating the No-Insulation (NI) winding method and the Multi-Width (MW) method in addition to the DT method is proposed. The final design using the proposed method was compared with other design techniques to verify the design feasibility, and the stability of the design was verified through production and performance evaluation. The axion is detected by the axion detection haloscope experiment using the Primakoff effect which is a phenomenon of axion being converted into two polarized photons under a high magnetic field. Therefore, in order to detect the converted photons, a detection cavity is installed inside the bore of the magnet, and a high magnetic field must be uniformly generated inside the cavity. Accordingly, a magnetic field higher than 16.2 T must be generated, which is 90% of the minimum central magnetic field of 18 T, within a cavity of 70 mm in diameter and 200 mm in length. In order to satisfy these high performance conditions, REBCO HTS wire with high critical current and critical magnetic field was used, and the latest HTS magnet technology, the NI technique and MW technique, was introduced. In addition, an 18 T 70 mm HTS magnet was designed by applying the DT technique that is proposed in this study using a mixture of two thicknesses of HTS wire. By additionally applying this DT technique, higher performance was achieved compared to the existing single-thickness HTS magnets. In the DT technique first proposed in this study, two kinds of HTS tapes with a thickness of 120 μm and 135 μm were used to improve the critical current property and magnetic field uniformity of the HTS magnet, which also has effect in the reduction of HTS tape consumption. By introducing the figure of merit, the design with single thickness and double thickness were compared, and the advantages of DT technique was verified. Finally, based on the design, a HTS magnet system was fabricated, and its performance was evaluated to verify the proposed design under both liquid nitrogen and liquid helium environments. In the performance evaluation experiment, a central magnetic field of 18.7 T was achieved, which is higher than the target central magnetic field, 18 T. The feasibility of the proposed design was verified by directly measuring the magnetic field uniformity, and the spatial magnetic field in the cavity was measured to be 93% more uniform compared to the central magnetic field. Afterwards, in an axion detection experiment conducted at the Center for Axion and Precision Physics Research (CAPP) of the Institute for Basic Science (IBS), the HTS magnet developed in the current study demonstrated long-term operation and proved its operational stability.