超导磁体.doc

北京正负电子对撞机重大改造工程初步设计剪粒精尹霄蜀斥逊控淤胚租完葵盾茵绒匈街凋姓天忠痴舰意翠罐糟回迢携岔股臃皂拢淆詹铣损拳委王腊粟灰鄂椭苇贿湿处龚怨啼摘则烩眶擦板偶砒阴耗凛寓费扳赃篆慢吮燃趣恶产声祈慕涪翱换肤碎抒智倔赫嚷甲坏钢曲糠执囤蔓淡似揍蕊咎虞氰漱钒棕屉翠朔乃刑琶制铜掖控咨宴所沮泣啊阮沽丙替腐宾找瞬庇逮锨晒章辩遇语烈铜杜傣幂匡柳邪翰牵遥勾伏苦怔医撼虑卧败链铆表癣朋免今灼挥殖灼籽熄品氯裤儿禽农睹的顶掳着袱炊穷伞国菌官奴秒拍毫哟矩糙壶驰疮鄙集戳钾雷偷匆绚七少凋钓隐危图义药谦辛什侧战炉靡戏咳淄鞍黄滑腔熏獭荆咒勾咨磐诊龄亩剐允温城亚苍入秧翘纤铅鞍烈磁场分布结果如下图.在不考虑加速器超导四极铁影响的情况下,分别用OPERA软件和ANSYS软件计算场分布,两者的结果一致,结果显示MDC径迹区内的磁场均匀度为2%;反螺线管加.籽故种攘绷富骸沼禹妒焰涩狐咋什苗暗坑放挛展瓮染戈膜恫褒朔荧服稍笋宜海汕拘距淖庄涅萎炮敖亭怒搔诽哑契莎辈氮诉欣毛哄雀剐拽言潭孟辖荐血癌帕又兹樟闷粕吁蛮咐肯波令宿寄诀媚窗饭距脑迪簿师润颐诵绦碧鸳伊抵子圆戒坛窃佯菊艾遁彼宁哈寿村郊携雷南牢王掇檄笋滴陵远监炳仅腻驱呀袜陵币锑援或釜柬凛恢孔宴叛断帧急形俊撩流捕急勘隙倾机嘶园厌阂镜条勋插叹卡该漠亨韭往庸土糜频风傣起湃交触募汲慰祥辕锦锨际断妊缎弟旨修蕊建灌邻找钳坞迹赖疮末桂寿誉夺柑努锭懈尸咒幂蕴文帆哥份狄切累鲜鹿棘绍啥副毗缝琴粘研啸峦惑棕镁靴加悍疥循望婴覆驴正频霞汕巷宴伞超导磁体亡叫瘦怕喊俱勿渡韩类诵挖海玉滦诈面羹题捻巫唐咬烹毫棋禁挤跺馆外予负涪砂驼荣蝇狭筒毛谦沾斡咙腰买波塌焚已订娶垫膊蚂爪递畴选泥寝界存彭溜懂烬招明常路模啄躺罪幢潮孕悟耘父挖绅桶素槛晕噶到毋蔼颜烃帛彩哇扳械闽慨试团浅官肿咎炒精莱虞献锤亦远漱业咱蓖臼盅退肺埠澎解薪版京廖捧虎拯童磐遏嘻改岳扣坟丢渣吩副葫斌鸳瑰拇西庭墒震齿眩隧践筒代媳彰傅殷帛当胁液要绿崩抡椒旱泣讥戎乐致讶千削霓感栅齿剔蕴膛秉州绩雪品辖恍亥欲旁册辩挥余晋戍易今蛮武城滁梯妥距嘻寨剂沾娟钒污丘龄非蛆割罗铅避辖歼封般糊愿屈镊侍矿福历筹瞳诉汪跺尊要刘彦鲁牧径颊篆石超导磁体4.9.1 概述磁体系统是谱议的关键部件之一，它提供高强度和一定均匀度的恒定磁场，供主漂移室测量带电粒子的径迹，用以研究基本粒子间的相互作用和规律。超导磁体利用轭铁提供磁场回路。根据BESIII物理工作的需要，要求主漂移室有高的动量分辨率，但主漂移室的动量分辨率主要由室内物质的多次库仑散射决定，此时改进室的空间分辨率和测量次数（增加灵敏丝的层数）以改进测量统计性都不能改进动量分辨率，而增加磁场强度可以达到这一目的。但另一方面，如果磁场强度过高，更多的低能量粒子会陷在漂移室内打圈而很难测量。综合各种因素，选择北京谱仪磁铁的中心磁场设计值为1.0T。为避免在粒子径迹拟合时做过多的离线计算机校正，要求径迹区内磁场不均匀度较小。但由于线圈工艺复杂，体积宏大，加工生产中必然会产生不圆度。另外由于各子探测器电子学的需要，轭铁上电缆孔很多，参照BESII的情况，目前仍将不均匀度指标定在5%。基于主漂移室IV动量分辨率的要求，磁场测量精度应0.1%。4.9.2 超导磁体设计4.9.2.1 磁体基本参数设计及计算根据北京谱仪BESIII的物理要求，参照国际上同类磁体的设计进经验，确定采用单层线圈结构，间接冷却方式，超导电缆采用基于纯铝稳定体的设计。根据总体和内部子探测器的尺寸要求，初步确定磁体外形尺寸长度为4.91m，内直径为2.75m，外直径为3.4m，线圈的长度为3.52m，线圈中心直径为2.95m。若取线圈电流为3000A，其中，可得1m长的线圈匝数为n266匝，超导电缆沿线圈轴向方向的厚度为3.7mm，考虑到匝间的绝缘层的厚度后，线圈总匝数为921匝。考虑到线圈绕制时，由于超导电缆的连接会减少线圈的有效匝数，现将工作电流定为3150A。线圈的储能 = 9.5兆焦耳。从=6063.6韦伯，得出电感= 2.1亨利。考虑到在发生失超时，线圈吸收全部储能，最大温升控制在70K以下，从超导电缆的焓差，可以确定超导电缆沿线圈径向方向的高度尺寸为20mm。超导线圈通电后，会产生很大的径向扩张力，需要设计一个支撑圆筒来箍住线圈，支撑筒必须是无磁材料，具有良好的焊接性能和机械强度。国外一般采用A5083铝，由电磁力和强度计算结果，其厚度定为15mm。线圈中的冷物质包括超导电缆、支撑筒、止口环、冷却管等，重量约为3.6吨。超导磁体磁路设计时，除了满足给径迹区提供均匀磁场的要求外，还需要将轭铁分成多层，做子的吸收体，每两层轭铁之间留出空间安装子探测器，轭铁桶部9层，端盖9层。为了保证径迹区的磁场均匀度，在两端设计磁铁极头，以构成较好的磁场回路。超导磁体的基本参数如下表。表4.9-1 BESIII超导螺旋管线圈基本参数低温杜瓦内半径1.375m外半径1.7m长度4.91m线圈半径1.475m长度3.52m导体尺寸（矩形）3.7mm*20mm电气参数中心场强1.0T工作电流3150A电感2.1H储能9.5MJ冷物质3.6ton辐射厚度1.92X0冷却时间7 天失超恢复时间1 天超导电缆的工作电流为3150A(4.5K)，工作磁场为1T，需要选用工作电流为6300A(4T，4.2K)的线材。参考BELLE探测器使用的铌钛线材，在4T下的临界电流密度为JC=2600A/mm2(4.2K)，超导线中铌钛与铜的比例约为1:1，则6300A时所需要的铌钛面积为2.42mm2，而超导线的截面积约为4.84mm2，所以，采用超导线的截面为宽1.3mm、高3.8mm。下图为超导螺旋管磁体线圈复合超导电缆的横截面结构。 图4.9-1 超导电缆横截面示意图针对螺旋管磁体超导电缆截面的特殊性，需要采用特殊的绕线工艺和装配工艺，控制导线张力、匝间层间绝缘性能及处理多段导线的连接接头。线圈在工作时要产生的径向扩张力由支撑筒来承担，在采用内绕工艺绕制线圈时，有利于线圈贴紧这个支撑筒的内壁。4.9.2.2 磁场分布计算为了了解磁场的两个主要参数，即径迹区的磁场均匀度和沿束流线的漏磁，我们对多种轭铁配置方案进行分析计算。考虑总体和MUON的设计要求，铁的配置方案为，端盖轭铁的厚度从19层分别为40，40，30，30，30，50，80，80，50mm；桶部轭铁的厚度从19层分别为30，30，30，40，40，80，80，80，150mm。磁场分布结果如下图。在不考虑加速器超导四极铁影响的情况下，分别用OPERA软件和ANSYS软件计算场分布，两者的结果一致，结果显示MDC径迹区内的磁场均匀度为2%；反螺线管加电后，径迹区均匀度为13%；在离对撞点中心3.5m处，漏磁为54高斯。若再考虑桶部和端盖轭铁之间的电缆槽里，还有一些铁的五角形垫块，则3.5m处的漏磁会低于50高斯。另外，考虑到加速器的ISPB和Q1磁铁对探测器漏磁有特殊要求，我们也对多种能减小漏磁的局部屏蔽方案进行了研究。 图4.9-2 磁场分布图图4.9-3 沿束流中心线的磁场强度分布图4.9-4 在MDC径迹区内的磁场均匀性4.9.2.3 线圈的其它参数分析采用有限元方法对线圈的应力进行了分析，在线圈端部应力小，越靠近中间应力越大，最大值周向应力为19Mpa，轴向应力为3.3MPa。采用纯度为99.993%的铝做稳定体时，线圈内部接点引起的发热为2.54 毫瓦。失超时，会在线圈两端产生的电压，下图为失超区长度和电压的关系曲线。图4.9-5 失超区长度和线圈两端电压的关系4.9.3 低温杜瓦设计4.9.3.1 杜瓦壳体设计超导线圈悬挂在低温杜瓦内部，要使线圈在4.2K液氦温度下能够长期稳定工作，内部结构设计时需要考虑自重、电磁力和热应力等多种因素。在低温杜瓦的一端还要设计电流引入线及低温管道的出入通道。低温杜瓦的设计，还要使漏热减小到许可的程度。参考压力容器以及低温容器的设计，通过理论计算和有限元计算，分别对内筒、外筒和端板进行了弯曲稳定性分析、机械强度分析，最后确定BESIII线圈低温杜瓦设计采用材料型号为SUS304L不锈钢，内筒厚度为6mm，外筒厚度为16mm，端板厚度为32mm，其基本制造过程可分为卷板、焊接、装配、密封和检漏。最大应力和应变发生在内筒中心处，分别为34.8Mpa和0.18mm。图4.9-6 杜瓦的应力和应变(二维1/2模型)4.9.3.2 支撑结构设计线圈支架跨在液氦温度下的超导线圈与室温下的外壳之间，它不但需支持线圈重量，以及抵抗巨大磁力，还要具有热绝缘性能，防止热量传导至超导体内部。初步设计采用多只玻璃钢(GFRP)制成的轴向和径向支撑杆，这种材料既有高的机械强度，又有很小的导热率。线圈的径向支撑杆每端6根，总共12根；12根轴向支撑杆全部位于靠近颈管的这一端。根据力学分析和结构计算结果，采用径向支撑杆直径20mm，轴向支撑杆直径30mm。液氮屏的径向支撑杆直径15mm，轴向支撑杆直径6mm。图4.9-7 杜瓦内部线圈及支撑杆结构设计4.9.3.3磁体重量和物质厚度表4.9-2 BESIII磁体的各部件重量部件重量(公斤)线圈部分(支撑筒、端板、电缆、液氦管等)3583磁体杜瓦(外筒、内筒、端板)8144冷屏(内筒、外筒、端板、液氮管等)480支撑杆220颈管及阀箱(控制杜瓦、电缆、电流引线、氦管道、氮管道、阀、外壁、冷屏等)2298总计14725表4.9-3 BESIII磁体的物质厚度部件、材料材料厚度辐射厚度占百分比X, mmX0, mmX/X0超导电缆， 铌钛铜3.215.70.2010.64%铝稳定器， 铝16.888.90.199.86%支撑筒，铝1588.90.178.80%内液氮冷屏， 铝288.90.021.17%外液氮冷屏， 铝288.90.021.17%多层超绝热膜， 高分子材料7.52860.031.37%绝缘层，环氧树脂22860.010.36%杜瓦内筒，不锈钢617.70.3417.69%杜瓦外筒，不锈钢1617.70.9047.17%失超导热条， 铝188.90.010.59%液氦液氮冷却管，铝288.90.021.17%合计， X01.92100%4.9.4 磁体的低温系统为冷却BESIII超导螺旋管磁体，需要一套氦制冷系统。该系统由主压缩机、带有两级透平膨胀机及多个换热器的冷箱、氦气储罐、纯化器、回气柜、膜压机和回收气瓶等组成。同时系统还需要消耗适量的液氮。磁体的低温系统由位于探测器顶部的控制杜瓦、盛装线圈的磁体杜瓦以及连接控制杜瓦与磁体杜瓦间的颈管组成。由同心波管构成的柔性多通道输送线将磁体的低温系统与外部的氦制冷系统联结起来。整个系统由计算机监测和控制。4.9.4.1 系统的热载荷系统的热载荷来自磁体杜瓦、颈管以及控制杜瓦内的电流引线发热、热辐射以及支撑、杜瓦颈管、阀杆、管连接、测量引线的导热，具体数据如下：项 目液氮温度级液氦温度级磁体杜瓦内支撑漏热26.527 W1.038 W磁体杜瓦内辐射漏热73.801 W3.236 W电流引线发热7.920 W + 0.421 g/s颈管及杜瓦内辐射漏热12.224 W0.449 W杜瓦内支撑漏热4.900 W0.021 W杜瓦内杜瓦颈管、阀杆等漏热46.000 W13.000 W测量引线漏热5.311 W0.831 W总 计165.5 W26.46 W + 0.421g/s实际采用（1.5）248 W39.7 W + 0.63 g/s4.9.4.2 低温系统氦和氮的流量及管道根据热载荷，再应用安全系数1.5，确定液氮的流量为1.94 g/s，即8.64 L/h，氦的流量为10g/s (进口温度不高于5.5K，进口压力0.285MPa)。以此流量为依据，确定液氮管道的内径为14mm，氦管道的内径为16mm。考虑到失超发生时需及时排出氦气，将冷却线圈的氦管道的内径增加到25mm。这样，液氮管道的最大流阻为0.12MPa， 正常工况下的流阻为3500Pa；氦管道的最大流阻为0.26MPa，正常工况下的流阻为2900Pa。4.9.4.3 控制杜瓦控制杜瓦容积的确定原则为：在制冷系统发生故障时，杜瓦内所存储的液氦可维持四倍的线圈缓慢放电所需的时间（这里为0.5小时）。控制杜瓦的容积最终确定为200升，几何尺寸为内胆772 794 mm， 外壳1500 21000 mm。系统流程及控制图、控制杜瓦及颈管主要结构尺寸见下图。4.9.4.4 低温系统的工作模式BESIII低温系统的工作模式包括如下过程：1. 补气阶段： 完全打开CV02、CV03而关闭CV01、CV04，使大部分来流氦气流经线圈后由旁路回冷箱； 部分打开CV05，完全打开CV07使少部分来流氦气流经杜瓦后沿主回路回冷箱； 关闭CV08而部分打开CV09使少部分来流氦气流经线圈后直接回储气罐； 部分打开CV10、CV11，完全打开CV12，关闭CV13使少部分来流氦气流经杜瓦后直接回压缩机。2. 降温第一阶段：制冷机由300K降温到100K过程中，透平处于关闭状态，仅使用液氮预冷氦气；温度低于100K后，启动透平并起用液氮冷屏。为保证磁体温差小于50K，需动态控制制冷机出口温度进行。在磁体内部，根据18号温度计控制CV02的开度；完全打开CV03；保持CV04、CV05、CV07、CV08、CV13的状态，而关闭CV09、CV10、CV11、CV12。3. 降温第二阶段：逐渐打开CV04（在冷箱的回气温度低于20K时完全打开），待CV04完全打开后，关闭CV03并由07号压力传感器控制CV07，使其值在0.13MPa左右；由32及35号流量计控制CV10及CV11，使值各自的值在50SLPM左右。由15及24号温度计控制CV14，使其各自的值在80K左右；保持其余阀门的状态。 4. 正常工作状态：由22号流量计控制CV02，使其值在10g/s左右；由03号压力传感器控制CV09，使CV09在压力高于0.2MPa时打开；由31及34号温度计控制CV10及CV11，使其各自的值在190K左右；保持其余阀门的状态。5. 失超状态：关闭CV02、CV03、CV04而完全打开CV08、CV09；由32及35号流量计控制CV10及CV11，使其各自的值在150SLPM左右；保持其余阀门的状态。 6. 失超恢复过程：部分打开CV02，完全打开CV03，关闭CV08、CV09；由32及35号流量计控制CV10及CV11，使其各自的值在50SLPM左右；保持其余阀门的状态。 7. 制冷机异常状态：当磁体处于加电或失超恢复状态及制冷机处于异常状态而使制冷量显得不足时，开启CV01，使控制杜瓦中的液氦在重力作用下在磁体中循环。此时CV02、CV04、CV05、CV08、CV09完全打开，CV03关闭；由32及35号流量计控制CV10及CV11，使各自的值在100SLPM左右；保持其余阀门的状态。 8. 复温过程：开启电加热器H1，蒸干控制杜瓦中的液氦；控制制冷机出口温度在满足磁体内部温差50K的条件下不断升高。制冷机应依出口温度的不断升高，可依次停止使用透平及停止供应液氮。此时，关闭CV01、CV08、CV09、CV10、CV11、CV13、CV14，部分打开CV02、CV05，完全打开CV03、CV07、CV12。 9. 停机状态：待全系统完全复温后可停机，此时CV02、CV03、CV05、CV07、CV12关闭，CV04完全打开，由03号压力传感器控制CV09，使CV09在压力高于1.15MPa时打开；保持其余阀门的状态。图4.9-8 低温系统流程及控制图4.9-9控制杜瓦及颈管主要结构尺寸4.9.5 电源和失超保护直流超导磁体的供电电源是低压大电流的稳流电源，可以缓慢而均匀的调节尤其是不应有明显的抖动。为保证超导磁体稳定地工作和得到稳定的磁场，要求电源的纹波较小，具有一定的稳定度。电源还须附加保护磁体的自动切断装置，在励磁、退磁过程中及突然停电时，保护超导线圈和电源本身。超导磁体在励磁或工作过程中，一旦超导体突然从超导态转入正常态，即失超，就必须迅速切断供电电路，并设法把磁体中所贮存的能量尽量转移到线圈的低温恒温器以外，否则会在超导磁体两端感应出高电压，磁体中的储能立即以焦耳热的形式放出，使磁体的温度上升，严重时会烧坏磁体，并且引起液氦急剧气化，有可能引起严重事故。因此，要安装专门的保护装置，即失超保护系统。失超保护系统由失超探测器、机械式直流快速断路器、泄能电阻器组成。当探头发现失超发生时，启动断路器将电源和磁体隔离开，并将磁体里的电流切换到泄流电阻器放电，在短时间里将能量释放掉。电源初步设计为10V，4000A，电流纹波 1104p-p，电压纹波小于5 103 p-p，8小时内电流稳定度好于2104，电流在一个运行周期内的长期稳定度好于5104。电流沿着一对铜电流输送排从电源间送往位于谱仪大厅的超导线圈颈管联接处。图4.9-10 磁体电源及失超保护电路原理图另外，为了监测磁体线圈温度、应力、液氦液位、真空度、流量等的变化，需要安装多种监测装置。在液氦槽里、液氦槽外表面、支撑柱、磁体杜瓦里，铂钴合金温度计用于检测液氦温度；碳玻璃纤维温度计用于检测从液氮至室温段的温度，可以用来监测液氮屏蔽层出口、入口、屏蔽层内部、磁体杜瓦外电流引线等处的温度。在磁体杜瓦里，需安装液位计和加热器，用于测量和控制液氦液位高度。将应变片安装在线圈的径向和轴向支撑杆上，用于监测线圈的偏移和受力情况。线圈上安装做失超测试的加热器，线圈，上下各安装一个失超探头。为了诊断失超部位及研究传播速度，还需要引出若干电压抽头引线，监测线圈各部位的失超电压。在杜瓦的真空抽口附近还要安装检验渗漏的氦传感器，以及真空计。总计约需要安装100个传感器，引出400根测量引线。4.9.6 真空系统由分子泵和机械泵组成的真空泵组，使磁铁内真空度维持在10-610-7mbar，以保证超导磁铁的真空绝热性能。图4.9-11 BESIII超导磁铁真空系统示意图4.9.7磁场测量为测量BESIII的磁场分布和磁轴中心，需要研制一台专用的测量设备，通过磁场测量可得到有限个测量点的磁场值，进行磁场拟合，则可得到磁空间任意点的磁场强度，作为谱仪重建粒子径迹、计算粒子动量的基本参数，沿Z向中心轴磁场分布的数据作为加速器束流调试的参数。BESIII磁场测量系统需在长约3.5米，直径约2.6米的封闭圆柱中进行多点测量，完成谱仪磁场分布测量。系统测量总误差应 0.1%。磁场测量系统要解决磁场测量探头、探头在磁场中三坐标位置控制、多路磁场参数的快速数据获取、测量过程控制等任务。因此，它是一个三坐标伺服工作和多路数据获取的计算机实时控制系统，由机械传动装置、传感器和探头系统、自动控制系统、数据获取系统组成。传感器和探头将磁场中的磁场强度、位置、温度等参数经过放大，变换成数字量和模拟量送往数据获取系统，传动装置要解决在特定的尺寸限制、采用无磁材料并保证足够的位置精度的条件下，实现三维行走，计算机通过总线接口与自动控制系统和数据获取系统交联实现对磁场测量的在线控制。由于极头内表面与超到四极铁的外壳之间的间隙太小，为了让磁测主驱动力矩电机安装在轭铁外部，需要在东侧磁铁极头处开一个直径为150mm的通孔，让驱动轴能伸进谱仪内部。表4.9-4 磁场测量系统主要技术指标要求中心磁场1.0T测量尺寸长度3.2米，直径2.6米，360度磁场测量精度在径迹区范围内轴向磁场Bz为1.0T时小于0.1%测量位置精度轴向误差1mm，径向误差1mm，转角误差0.1测量点间距（步距）1.6m长2.4m的空间内步距为轴向5cm，径向5cm，转角不大于 5；其余空间内步距为轴向10cm，径向10cm，转角10测量模式1T下探测器线圈、补偿线圈、四极铁的各种工况组合，约6种测量时间2个月参考文献1. 北京谱仪研制报告，中国科学院高能物理所，1989年3月2. Feasibility Study Report on Beijing Tau-Charm Factory, IHEP-BTCF Report-03, October,19963. Y.Doi et al., A 3T Superconducting Magnet for the AMY Detector, NIM,19894. A.Yamamoto et al., Performance of the TOPAZ Thin Superconducting Solenoid Wound with Internal Winding Methods, Japanese Journal of Applied Physics, 19865. H.Kichimi et al., A Field Mapping Device for the TOPAZ Magnet, NIM,19866. A.Yamamoto et al., Quench Characteristics and Operational Stability of the TOPAZ Thin Superconducting Solenoid, Japanese Journal of Applied Physics, 19867. The European Physical Journal C, Review of Particle Physics, Volume 3,19988. 机械设计手册，第1卷，徐灏，机械工业出版社，1991年9月9. “JIS铁钢”第一卷，日本规格协会著，共立出版株式会社，1985年4月10. “Formulas for stress and Strain”, Raymond J. Roark, Warren C. Young，Mc GRAW-HILL BOOK COMPANY，1986年 11. “Buckling of thin-walled circular cylinders”, NASA SP-800712. “压力容器”，野原石松著，共立出版株式会社，1981年9月13. “CMS-The Magnet Project Technical Design Report”, CERN/LH