40T混合磁體外超導(dǎo)磁體冷卻分析和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、強(qiáng)磁場，和超高壓、極低溫一起，被列為現(xiàn)代科學(xué)實(shí)驗(yàn)最重要的三大極端條件，是物理、材料、生物等學(xué)科進(jìn)行科學(xué)研究的利器，被人們成為諾貝爾獎(jiǎng)的搖籃，是各國科學(xué)界加以追求的目標(biāo)之一。中國在經(jīng)歷了將近10年的設(shè)計(jì)和建設(shè)，于2016年8月建成40T混合磁體穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實(shí)驗(yàn)裝置，2017年5月全面完成調(diào)試和驗(yàn)收，與法國、波蘭、日本、德國、美國一起，并列成為擁有建成的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場裝置的五大國家，具有世界領(lǐng)先水平。混合磁體內(nèi)包含內(nèi)水冷磁體和外超導(dǎo)磁體，內(nèi)水冷磁

2、體提供30T磁場，外超導(dǎo)磁體提供10T磁場，混合磁體的中心場強(qiáng)達(dá)到40T。
　　本課題主要對低溫系統(tǒng)的建設(shè)、聯(lián)合運(yùn)行以及混合磁體外超導(dǎo)磁體的降溫過程計(jì)算和實(shí)際調(diào)試進(jìn)行研究，工作內(nèi)容主要包括:
　　充分了解和學(xué)習(xí)360W@4.5K低溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和運(yùn)行模式，了解外超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)、基本的降溫方法和相關(guān)工作要求，以及低溫系統(tǒng)與磁體的聯(lián)合運(yùn)行方式，了解各子系統(tǒng)的作用和分工，理解對磁體降溫的設(shè)計(jì)方案和要求，為后期的調(diào)試工作做好前期準(zhǔn)備

3、。
　　根據(jù)降溫設(shè)計(jì)的要求，對外超導(dǎo)磁體的降溫過程開展討論。分為兩個(gè)階段:第一階段從300K降溫至80K，第二階段從80K降溫至5K。對于第一階段降溫的數(shù)值計(jì)算，分別對磁體線圈、內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的抽象和簡化，并對整個(gè)超導(dǎo)磁體建立了降溫模型，通過模型的計(jì)算可以獲得磁體線圈內(nèi)各個(gè)時(shí)間段冷質(zhì)量和氦氣沿著流動(dòng)方向在降溫過程中的溫度分布和流動(dòng)狀態(tài)，并且滿足磁體內(nèi)部最大溫差小于50K的工程要求。對于第二階段，將制冷機(jī)的膨脹機(jī)開啟后，降溫不再受

4、溫差限制，利用膨脹機(jī)提供的冷量，將磁體降溫至5K。計(jì)算結(jié)果表明，磁體內(nèi)各線圈能夠保持同步降溫的狀態(tài)，從300 K降溫至5K的整個(gè)過程可以在580個(gè)小時(shí)內(nèi)完成。
　　對建成的超導(dǎo)磁體進(jìn)行降溫調(diào)試，完成勵(lì)磁實(shí)驗(yàn)。降溫的基本流程分為低溫系統(tǒng)部分，閥箱部分和磁體部分。調(diào)試前，需要將系統(tǒng)內(nèi)所有管道進(jìn)行抽空置換，排出內(nèi)部雜質(zhì)氣體，以防在低溫下凝結(jié)固化堵塞通道。氦氣通過制冷機(jī)降溫后通入分配閥箱，再由分配閥箱向磁體各通道供氣。從300K降溫到80

5、K的預(yù)冷階段，冷量來源自液氮的消耗，從80K到5K的降溫階段，開啟制冷機(jī)內(nèi)部膨脹機(jī)，保持更低溫度的冷量供應(yīng)。兩次降溫調(diào)試的整個(gè)過程歷時(shí)大約23天，預(yù)冷階段在出現(xiàn)最大溫差超過50K之后，及時(shí)對降溫策略進(jìn)行調(diào)整，保證了磁體不受局部應(yīng)力過大而損壞。
　　對計(jì)算模型中選用的摩擦系數(shù)公式進(jìn)行修正調(diào)整，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，分析實(shí)際調(diào)試過程和計(jì)算過程的差別對比。在實(shí)際的調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在一些特殊的問題，比如有系統(tǒng)內(nèi)部的溫度傳感器和真空規(guī)