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MICE超导耦合磁体冷质量支撑设计及磁体热稳定性研究

吴红  
【摘要】: 国际μ?介子离子化冷却实验(Muon Ionization Cooling Experiment-MICE)将建造世界上首个μ介子离子化冷却实验装置,论证二十余年来困扰中微子工厂和μ?介子对撞机研究中的最核心技术问题:μ介子冷却。研究结果是未来中微子工厂和μ?介子对撞机成功的关键。MICE冷却通道由相互交替的3个吸收聚焦单元和2个射频耦合单元组成,超导耦合螺线管磁体安装在1组4个201.25MHz常规射频腔外部构成射频耦合单元,用于在轴线上产生2.6T的强磁场保证μ介子通过射频腔的盘形窗口。耦合磁体是内径达1.5m的较大型单线圈低温超导螺线管磁体,其线圈上峰值磁场可达7.4T。本文以MICE超导耦合磁体为研究对象,深入地研究了超导磁体设计中的若干关键问题,包括冷质量支撑设计技术、磁体热稳定性和高温超导电流引线故障保护技术等,研究结果将为超导磁体的长期正常运行和安全保护提供理论依据,具有重要的工程实用价值。 1)冷质量支撑是超导磁体的关键部件,本文针对超导耦合磁体的特点系统设计了一套自中心双拉带式冷质量支撑系统。建立了冷质量支撑组件的一维理论分析模型,对比分析了磁体冷运输和常温运输两种运输方式对冷质量支撑系统承载性能和结构设计的影响,确定了磁体常温运输方案。初步分析了磁体在常温运输、降温以及励磁不同状态下支撑拉带内的受力和预紧力参数,给出了冷质量支撑组件的详细结构及尺寸,并分析了不同的拉带材料和不同温区的拉带长度比例对支撑承载能力的影响。 2)采用通用有限元软件,建立了一系列数值模型,对耦合磁体冷质量支撑组件从力、热及机械结构方面进行了详细分析。建立了冷质量支撑系统的3-D整体分析模型,验证了支撑系统的自中心性,得到了常温、降温和励磁工况下各支撑组件拉力随支撑载荷的变化,同时得到了各工况下磁体中心位置的变化。建立了支撑组件的3-D热分析有限元模型,得到了在磁体正常运行中支撑组件上的温度分布和支撑系统漏热。建立了支撑组件的3-D结构分析有限元模型,模型中采用ANSYS软件中接触分析技术,准确模拟了支撑拉带和支撑套筒之间的界面实际状况,得到了支撑组件的等效弹性系数,与一维理论分析结果一致,并得到了支撑组件主要部件如拉带、热截断和杆端轴承及销钉上的应力分布情况,校核了支撑组件的强度。模拟结果为确定自中心冷质量支撑的结构尺寸提供了理论依据。 3)应用约化临界态法和L-R电路原理对耦合磁体的电性进行了分析。用约化临界态法对耦合磁体所用的NbTi超导线在不同温度和磁场下的临界特性进行预测,根据超导线的临界特性计算了最大工作电流和温度裕度等耦合磁体基本参数。应用L-R电路原理,对磁体的各种励磁和卸载方式进行了分析研究,给出了最佳的耦合磁体励磁、卸载和快速卸载方式。分析设计了耦合磁体快速卸载回路,并对室温端快速卸载二极管的冷却进行了热力学分析。 4)采用有限元分析软件,结合自我开发的超导耦合磁体热稳定性分析程序计算并分析了交流损耗及其对液氦间接冷却的超导磁体热稳定性的影响,给出了保持磁体热稳定性的措施。分析结果表明,超导体内的磁滞交流损耗和线圈骨架组件的涡流损耗是耦合磁体交流损耗的主要形式;在励磁、卸载和快速卸载过程中,可利用磁体冷却系统中的液氦的蒸发汽化潜热的方式,以保证磁体励磁卸载过程中的热稳定性,避免失超。因此建议磁体冷却系统中需保持一定的液氦储量。用有限元分析软件结合自我开发的分析程序对励磁、卸载尤其快速卸载过程中耦合磁体的交流损耗和磁体热稳定性进行了数值模拟。模拟结果显示耦合磁体可以实现安全快速卸载,磁体最大温升为0.42K。最后讨论了故障模式如系统断电,小型制冷机系统故障下耦合磁体HTS电流引线的保护,提出了利用快速卸载过程中蒸发的冷氦气的显热冷却高温超导引线热端以保护HTS电流引线的方法,并设计和分析了安置在制冷机一级冷头上的用以实现冷氦气冷却HTS电流引线的小型盘管式换热器。


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