低温超导磁体系统的研制

低温超导磁体系统的研制

电子束离子沉积层（beit）是一个利用强流电子束连续轰炸几乎静止的重离子（原子）或气体目标，并通过离子（原子）层分离离子（原子）层生成高电子层电子的实验装置。它使得类氢离子的产生不再依赖于昂贵的大型粒子加速器,为高电荷态离子相关物理的研究提供了崭新的手段。EBIT装置主要由电子枪、漂移管、低温系统和超导磁体、陷阱区、收集器、高压系统、冷却系统、气体注入和离子源系统、超高真空系统、电源和控制系统等部分组成,其中低温超导段是整个EBIT装置的核心单元。EBIT装置采用超导Helmholtz线圈在陷阱区中央产生均匀强磁场,以实现电子束流的径向压缩(<50µm),大幅度提高电子的束流密度。低温系统为超导磁体提供一个稳定可靠的低温工作条件,并通过在液氦温度下的低温冷凝作用,帮助装置获得超高真空。上海EBIT超导和低温磁体的主要技术指标如下:(1)超导Helmholtz线圈在陷阱区中央产生磁感应强度为5T的磁场,在中心轴线上±10mm内磁场均匀度好于2×10-4,磁场衰减率在8h内小于1×10-4。(2)液氦冷却超导磁体,在液氦温度为4.2K时,液氦蒸发率约1.1L/h。(3)真空室真空度为10-8Pa。1低温超导系统结构上海EBIT超导磁体采用传统的液氦浸泡的冷却方案。由于安装空间的限制和减少液氦的蒸发量两方面的原因,其低温系统的设计放弃技术成熟的液氮槽冷屏结构,采用了国际上先进的双冷屏结构,并通过二级G-M制冷机冷却冷屏的方案。低温超导段的结构示意图见图1所示。除了低温超导系统外,其内还集成了漂移管、两个传输线圈、准直调节机构和可拔插电流引线等部件。本文只介绍低温超导磁体的相关内容。1.1超导磁体薄膜测试EBIT物理上对超导磁体的空间要求如下:磁体垂直通孔内径为75mm,峰值磁场强度为5T,磁体中部一圈均匀地开8个水平通光孔,在垂直通孔中心轴线上离中心±10mm内磁场均匀度好于2×10-4,磁场衰减率在8h内小于1×10-4。为了满足磁体中间水平开孔的要求,磁体由一对上下相距34mm的Helmholtz线圈组成,线圈间距是由线圈骨架所需承受磁力和通光孔大小决定的,线圈骨架与磁体组装示意图见图2。由于空间的限制,线圈骨架被设计成线轴状,轴中间空心为真空室,其内安放一个漂移管作为离子阱。小液氦筒上下两盖板与线圈骨架连成一体,以保证同轴准直。骨架采用316LN不锈钢制作。骨架中部有8个6mm×8mm的光引出孔,机加工和焊接后材料磁导率小于1.01。线圈骨架液氦侧壁开有垂直方向的导液槽,以增大超导磁体与液氦的接触面积。采用直径0.5mm多丝NbTi复合线来绕制超导线圈。通过磁场分析计算,对磁体参数进行了优化。磁体设计参数如下:磁体通孔内径75mm,外径210mm,高度200mm;绕组内径100.1mm,外径189.9mm,长度52.3mm;导体层数77层,总匝数15018匝,磁体常数G/A为846(860实测),电感约16H,磁体储能30kJ。超导线标称短样性能指标为82A(对应磁体磁场8T),磁体每层导线之间隔有一层聚酰亚胺绝缘薄膜。为保证超导磁体的质量,对用于超导磁体的导线和聚酰亚胺薄膜进行了耐压测试,结果如下:对超导线加1kV高压,持续时间1min无击穿;对0.04mm厚的聚酰亚胺薄膜加压2.5kV,持续时间1min无击穿。超导磁体最内层垫有三层0.05mm厚的聚酰亚胺薄膜,可耐压7.5kV以上,再加导线本身的耐压1kV,因此最内层的超导线对骨架总共可耐压8.5kV以上。1.2小液瞳的安装EBIT低温系统设计的难度在于它不是常规室温孔超导磁体的低温系统,超导磁体杜瓦处于超高真空环境内,而且四周还要均匀地开8个通光孔。为了确保系统超高真空的获得,在低温设计中放弃了在冷屏上附加多层绝热材料的传统设计,从而增大了辐射漏热;另外直接面对室温真空室的通光孔也额外增加了辐射漏热。如图1所示,根据装置的内部空间尺寸,以及磁体中心可调的要求和低温系统的需要,将液氦筒分为大小两个,全部由无磁不锈钢制作。小液氦筒在下部,容积约5L,装有超导磁体,中心可调。大液氦筒在上部,最大空容积约89L,主要用来贮存液氦。大小液氦筒之间由四根不锈钢波纹管相连接形成液氦通路。小液氦筒的重量通过容器外侧的吊耳,拉吊在大液氦筒上。大液氦筒的重量通过容器外侧的6个吊耳向上拉至二级冷屏法兰上。同理,二级冷屏拉至一级冷屏法兰上,最后通过一级冷屏拉至真空室上。由于系统准直要求的需要,拉杆采用无磁不锈钢棒(φ6mm)制作,使系统的刚性增强。屏与屏之间除有6根向上的拉杆外,还设计有3根向下的拉杆,使系统更加稳定,当然冷损略有增加。小液氦筒的中心准直由8个差动螺纹调节机构来调节,调节机构驱动复合顶杆来实现小液氦筒在径向发生位移。用复合顶杆与冷屏接触,以减小4.2K的冷损。飘移管表面积约为0.017m2,小液氦筒表面积约为0.216m2,大液氦筒表面积约为1.492m2,4.2K总表面积可达1.725m2,满足EBIT对4.2K冷凝吸附抽气面的要求。冷屏采用无氧铜材料制作。两级冷屏上分别均匀开了8个通光孔,其中一个用铍窗覆盖作阻挡辐射漏热处理。一二级冷屏分别与制冷机的一二级冷头通过柔性铜辫连接。由于低温超导段安装在一对上下法兰之间,上法兰上方装有收集器,下法兰下方装有电子枪,制冷机和液氦输液颈管只能采用横置安装方式。经过实测,进口二级G-M制冷机横置安装时制冷量比垂直安装减小5%。在大液氦筒的内部预先安装一根内输液管,输液时通过外输液管的插入与之对接使液氦顺利输入。为了增大液氦贮存量,减少磁体励磁时可拔引线引起的液氦损失,超导线圈的可拔引线座等接线部分放置在大液氦筒上方凸台内,可拔引线、输液管、液面计和温度计引线等都从此颈管插入或拔出。颈管分别与一二级冷屏相连。根据制冷机的实测制冷量(一级80K,70W同时,二级20K,8W),经计算后我们设定:一级冷屏设计温度为100K,二级冷屏为30K,低温漏热的计算结果见表1。影响液氦蒸发量的是4.2K液氦筒的冷损,通过对漏热计算结果的分析,7个φ28mm通光孔的辐射漏热555.0mW,占整个4.2K冷损793.35mW的70%,通光孔未屏蔽是造成液氦蒸发量偏大的最主要的原因。2测量结果2.1磁体轴向磁场均匀度的测量超导磁体绕制结束后,在进行低温杜瓦封装之前要进行磁体性能实验,以及磁体峰值场强和磁体轴向磁场均匀性测量。超导磁体性能实验主要包括:三次达到最大运行中心磁场5.36T;其次超导磁体闭环运行在5.36T,测量磁体轴向磁场均匀性;在均匀性测量结束后,再进行3次失超实验,磁体保护功能正常;最后超导磁体闭环运行在5.36T进行长期磁场衰减率测量,达到8h内小于1×10-4。主要测量设备如下:霍尔探头选用美国LakeShore公司进口的HGA-3010霍尔片(带有校准参数),灵敏度为7.05mV/T,标定最大误差约为千分之五;霍尔探头用的恒流电流源采用Keithley可编程电流源,精度好于1×10-4/h;数字万用表采用英国生产的7601型7位半数字电压表,精度为1×10-5。磁体轴向磁场均匀性测量方法如下:在超导磁体骨架轴向中心孔中放置一个长度为100mm的活塞,然后将霍尔探头固定在活塞中心上,并在实验杜瓦桶外引导活塞沿着磁体骨架中心孔上下移动,在轴线对称中心±10mm范围内测量超导磁体的轴向磁场分布。霍尔探头的定位误差小于0.1mm,移动和测量步长为1mm。图3为超导磁体轴向磁场均匀度测量曲线。从图3中可知,在±10mm范围内在5T磁场下磁场均匀度好于2×10-4,达到设计要求。图3同时给出了时间上相差3d的两次测量结果,两次测量结果的差异主要来源于两次测量条件的不同。为了弄清实验杜瓦对磁体磁性的影响程度,在两次测量过程中使磁体的吊装方向相反。当磁体封装到无磁杜瓦后,这些效应会自动消失。2.2低温系统运行稳定液氦是一种比较昂贵的低温液体,其输液方法非常讲究。低温超导段的真空度达到高真空要求后,开制冷机冷却一二级冷屏;为加快系统预冷速度,同时向大小液氦筒加液氮冷却超导磁体;当二级冷屏温度低于70K时将液氮打出;液氮排空后,用机械泵对大、小液氦筒抽真空,进一步去除残留液氮;再用纯氦气置换大、小液氦筒内的气体,并在大、小液氦筒内保持0.03MPa压力的氦气;然后开始注入液氦。开始输液氦时输液管上的截流阀门要开小,以充分利用冷氦气的显热将输液管道和超导磁体从液氮温区冷却到液氦温区。超导磁体内预置了一支碳电阻温度计,当超导磁体的温度下降到接近4.2K时开大输液管上的截流阀门快速输液,直至超导液面计显示高度表明大液氦筒存液70L,停止输液。制冷机继续冷却一二级冷屏,直至平衡。测得一二级冷屏的平衡温度分别为111K和33.5K。低温系统运行稳定后液氦蒸发率在16h内的平均蒸发率为1.1L/h。超导磁体升磁场-降磁场一个循环(磁场强度大于5T)额外消耗液氦约1L。2.3超导磁体诉讼时系统加注液氦稳定后,开始给超导磁体加励磁电流,电流上升速度为5A/min。电流上升至57.8A对应磁场强度5T,超导磁体闭环运行4h,继续升高励磁电流至60A对应磁场强度5.2T,超导磁体闭环运行30min。在此之前为了验证超导磁体总装后系统安全保护装置的性能,超导磁体在62.3A(5.4T)时失超一次。事实证明超导磁体在储能很大时(30kJ)失超,超导磁体及其附件超导开关和可拔电流引线工作正常,系统保护装置安全可靠。3提高制冷机的制冷量通过试验发现系统存在一二级冷屏温度相对设计值偏高的问题,对液氦蒸发量有一定的影响。改进措施主要是在现有条件下增大制冷机的制冷量和减少漏热:(1)使用变频电源将电网50Hz的工频周波提高到60Hz,使制冷机的制冷量增加约16.7%。(2)使用冷水机组,使压缩机冷却水进水温度保持在20℃,出水温度保持在30℃。通过以上改进措施,可望使制冷机的制冷量提高2