MICE超導(dǎo)耦合磁體冷質(zhì)量支撐設(shè)計及磁體熱穩(wěn)定性研究.pdf

1、國際μ介子離子化冷卻實驗(Muon Ionization Cooling Experiment-MICE)將建造世界上首個μ介子離子化冷卻實驗裝置，論證二十余年來困擾中微子工廠和μ介子對撞機(jī)研究中的最核心技術(shù)問題：μ介子冷卻。研究結(jié)果是未來中微子工廠和μ介子對撞機(jī)成功的關(guān)鍵。MICE冷卻通道由相互交替的3個吸收聚焦單元和2個射頻耦合單元組成，超導(dǎo)耦合螺線管磁體安裝在1組4個201.25MHz常規(guī)射頻腔外部構(gòu)成射頻耦合單元，用于在軸線上產(chǎn)

2、生2.6T的強(qiáng)磁場保證μ介子通過射頻腔的盤形窗口。耦合磁體是內(nèi)徑達(dá)1.5m的較大型單線圈低溫超導(dǎo)螺線管磁體，其線圈上峰值磁場可達(dá)7.4T。本文以MICE超導(dǎo)耦合磁體為研究對象，深入地研究了超導(dǎo)磁體設(shè)計中的若干關(guān)鍵問題，包括冷質(zhì)量支撐設(shè)計技術(shù)、磁體熱穩(wěn)定性和高溫超導(dǎo)電流引線故障保護(hù)技術(shù)等，研究結(jié)果將為超導(dǎo)磁體的長期正常運(yùn)行和安全保護(hù)提供理論依據(jù)，具有重要的工程實用價值。
　　1)冷質(zhì)量支撐是超導(dǎo)磁體的關(guān)鍵部件，本文針對超導(dǎo)耦合磁體的

3、特點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計了一套自中心雙拉帶式冷質(zhì)量支撐系統(tǒng)。建立了冷質(zhì)量支撐組件的一維理論分析模型，對比分析了磁體冷運(yùn)輸和常溫運(yùn)輸兩種運(yùn)輸方式對冷質(zhì)量支撐系統(tǒng)承載性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響，確定了磁體常溫運(yùn)輸方案。初步分析了磁體在常溫運(yùn)輸、降溫以及勵磁不同狀態(tài)下支撐拉帶內(nèi)的受力和預(yù)緊力參數(shù)，給出了冷質(zhì)量支撐組件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)及尺寸，并分析了不同的拉帶材料和不同溫區(qū)的拉帶長度比例對支撐承載能力的影響。
　　2)采用通用有限元軟件，建立了一系列數(shù)值模型，對

4、耦合磁體冷質(zhì)量支撐組件從力、熱及機(jī)械結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了詳細(xì)分析。建立了冷質(zhì)量支撐系統(tǒng)的3-D整體分析模型，驗證了支撐系統(tǒng)的自中心性，得到了常溫、降溫和勵磁工況下各支撐組件拉力隨支撐載荷的變化，同時得到了各工況下磁體中心位置的變化。建立了支撐組件的3-D熱分析有限元模型，得到了在磁體正常運(yùn)行中支撐組件上的溫度分布和支撐系統(tǒng)漏熱。建立了支撐組件的3-D結(jié)構(gòu)分析有限元模型，模型中采用ANSYS軟件中接觸分析技術(shù)，準(zhǔn)確模擬了支撐拉帶和支撐套筒之間的

5、界面實際狀況，得到了支撐組件的等效彈性系數(shù)，與一維理論分析結(jié)果一致，并得到了支撐組件主要部件如拉帶、熱截斷和桿端軸承及銷釘上的應(yīng)力分布情況，校核了支撐組件的強(qiáng)度。模擬結(jié)果為確定自中心冷質(zhì)量支撐的結(jié)構(gòu)尺寸提供了理論依據(jù)。
　　3)應(yīng)用約化臨界態(tài)法和L-R電路原理對耦合磁體的電性進(jìn)行了分析。用約化臨界態(tài)法對耦合磁體所用的NbTi超導(dǎo)線在不同溫度和磁場下的臨界特性進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)超導(dǎo)線的臨界特性計算了最大工作電流和溫度裕度等耦合磁體基本參

6、數(shù)。應(yīng)用L-R電路原理，對磁體的各種勵磁和卸載方式進(jìn)行了分析研究，給出了最佳的耦合磁體勵磁、卸載和快速卸載方式。分析設(shè)計了耦合磁體快速卸載回路，并對室溫端快速卸載二極管的冷卻進(jìn)行了熱力學(xué)分析。
　　4)采用有限元分析軟件，結(jié)合自我開發(fā)的超導(dǎo)耦合磁體熱穩(wěn)定性分析程序計算并分析了交流損耗及其對液氦間接冷卻的超導(dǎo)磁體熱穩(wěn)定性的影響，給出了保持磁體熱穩(wěn)定性的措施。分析結(jié)果表明，超導(dǎo)體內(nèi)的磁滯交流損耗和線圈骨架組件的渦流損耗是耦合磁體交流損

7、耗的主要形式；在勵磁、卸載和快速卸載過程中，可利用磁體冷卻系統(tǒng)中的液氦的蒸發(fā)汽化潛熱的方式，以保證磁體勵磁卸載過程中的熱穩(wěn)定性，避免失超。因此建議磁體冷卻系統(tǒng)中需保持一定的液氦儲量。用有限元分析軟件結(jié)合自我開發(fā)的分析程序?qū)畲拧⑿遁d尤其快速卸載過程中耦合磁體的交流損耗和磁體熱穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示耦合磁體可以實現(xiàn)安全快速卸載，磁體最大溫升為0.42K。最后討論了故障模式如系統(tǒng)斷電，小型制冷機(jī)系統(tǒng)故障下耦合磁體 HTS電流引線