MICE超導耦合磁體冷質量支撐設計及磁體熱穩(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介子對撞機研究中的最核心技術問題：μ介子冷卻。研究結果是未來中微子工廠和μ介子對撞機成功的關鍵。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)射頻腔外部構成射頻耦合單元，用于在軸線上產

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

3、特點系統(tǒng)設計了一套自中心雙拉帶式冷質量支撐系統(tǒng)。建立了冷質量支撐組件的一維理論分析模型，對比分析了磁體冷運輸和常溫運輸兩種運輸方式對冷質量支撐系統(tǒng)承載性能和結構設計的影響，確定了磁體常溫運輸方案。初步分析了磁體在常溫運輸、降溫以及勵磁不同狀態(tài)下支撐拉帶內的受力和預緊力參數，給出了冷質量支撐組件的詳細結構及尺寸，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，建立了一系列數值模型，對

4、耦合磁體冷質量支撐組件從力、熱及機械結構方面進行了詳細分析。建立了冷質量支撐系統(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結構分析有限元模型，模型中采用ANSYS軟件中接觸分析技術，準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，與一維理論分析結果一致，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力分布情況，校核了支撐組件的強度。模擬結果為確定自中心冷質量支撐的結構尺寸提供了理論依據。
　　3)應用約化臨界態(tài)法和L-R電路原理對耦合磁體的電性進行了分析。用約化臨界態(tài)法對耦合磁體所用的NbTi超導線在不同溫度和磁場下的臨界特性進行預測，根據超導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。應用L-R電路原理，對磁體的各種勵磁和卸載方式進行了分析研究，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行了熱力學分析。
　　4)采用有限元分析軟件，結合自我開發(fā)的超導耦合磁體熱穩(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。分析結果表明，超導體內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合自我開發(fā)的分析程序對勵磁、卸載尤其快速卸載過程中耦合磁體的交流損耗和磁體熱穩(wěn)定性進行了數值模擬。模擬結果顯示耦合磁體可以實現安全快速卸載，磁體最大溫升為0.42K。最后討論了故障模式如系統(tǒng)斷電，小型制冷機系統(tǒng)故障下耦合磁體 HTS電流引線