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《中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)》 2018年
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斜螺线管型超导磁体的研制

梁羽  
【摘要】:目前,大型加速器所用超导磁体通常采用Cos-theta型或跑道型线圈结构,存在绕制困难、应力累积大、线圈加固和成型工艺复杂、加工成本高等缺点。随着超导磁体技术的快速发展,寻求一种结构简单、磁场分布好且运行稳定的线圈形式,对于发展更高磁场、更紧凑结构和更低成本的未来加速器超导磁体具有重大意义。斜螺线管型线圈结构(Canted-Cosine-Theta,CCT)具有磁场品质优越、机械性能突出、绕制工艺简单、加工成本低等优点,国际上多家加速器实验室(CERN、LBNL、PSI)已开展该技术的研究工作。针对近物所大科学装置HIAF、CiADS的需求,并结合医用Gantry磁体的发展方向,论文从小型样机磁体的研制入手,借鉴前期CCT相关项目研制经验,详细对CCT超导四极磁体的电磁、结构等方面展开研究,掌握磁体从设计、加工、绕制到装配成型等关键技术,为未来该类型超导磁体(多极和组合功能型)的发展提供一个全新思路。围绕该新型线圈结构,开展以下内容的研究:(1)CCT线圈磁场仿真方法研究。通过对CCT线圈参数方程的推导,得到线圈绕组与磁场之间的解析表达式,并分别介绍了CCT二极、四极及组合功能型磁体产生磁场的机理;对于CCT线圈磁场计算,给出了两种计算方法:解析法和有限元方法。结合两种方法的优势,利用专业磁场仿真程序,发展了一套CCT磁体高效、精确磁场设计方法。(2)CCT线圈参数优化与误差分析研究。通过分析不同CCT线圈组合产生的磁场分布,得到一种最优线圈组合方案:RL+LR(LR+RL);阐述了CCT磁体在设计过程中需要考虑的因素,包括:最小倾斜角、磁场、场增益系数和超导线用量等。通过分析各参数与倾斜角的关系,将积分场作为优化目标,得到CCT磁体最优的倾斜角。由于CCT线圈产生的磁场与电流路径直接相关,文中基于拉丁超立方抽样方法分析了线圈绕制误差和装配误差对磁场性能的影响。(3)提出了三种CCT线圈实现方案:槽内电缆、槽内导线和槽内多线圈。通过不同工艺方案的探索,最终确定了槽内多线圈技术,并成功研制了一台CCT超导四极磁体样机。基于失超传播速度和有限元两种方法对该磁体进行了数值模拟。最后,对CCT超导四极磁体进行了低温测试和性能评估。本论文通过完成国内首台CCT超导四极磁体样机,掌握了该类超导磁体的设计方法、技术路线和工艺参数,为后续大科学装置项目中该类型超导磁体的应用打下坚实的基础。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TL50

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