fair工程中的cr超导二极磁体的设计

fair工程中的cr超导二极磁体的设计

1fair反应器德国国家重离子研究中心（gsi）是欧盟的第一个项目，计划将在10年内实施。总投资约9亿美元。竣工后，它将成为世界上最大的研究平台，并可能在一些前沿领域进行研究。储存环是FAIR加速器大科学工程装置中的一个重要组成部分,由收集环–CR、累积和减速环–RESR、新试验环–NESR和高能储存环–HESR组成。其中的收集环-CR除了用来快速冷却反质子和稀有同位素外,还用来做寿命非常短的质量测量。由中国科学院电工研究所、近代物理研究所和等离子体物理研究所合作完成的国际合作项目-CR超导二极磁体样机的设计已基本完成,等离子体物理研究所负责样机磁体铁轭以外其他部分的设计与制造。2磁场及磁场的设计收集环-CR超导二极磁体共有24个,要求的最小场为0.8T,最大场为1.6T,磁场精度为±110-4T。每个磁体有串联的上下两个线圈,线圈最大工作电流为直流246A,从线圈通电到最大电流的时间是200s。磁体的线圈采用NbTi超导线绕制,为保证磁场精度,设计了较高强度的线圈盒来承受线圈工作过程中产生的电磁力。线圈和线圈盒装在液氦容器中,在液氦容器的外面设有冷屏和杜瓦,冷屏的作用是减少室温对液氦容器的辐射热;外杜瓦除保证磁体内部工作过程中需要的真空,还要有足够的强度和稳定性来支撑整个磁体线圈与线圈盒、磁体冷屏、磁体冷却介质的重量,还要承受外界大气压力和杜瓦内部抽真空后的压力差、磁体冷却过程中由于收缩通过支撑产生的拉力等。3安全系统的设计CR超导二极磁体的设计包括铁轭的设计、外杜瓦的设计、冷屏的设计、液氦容器的设计、线圈和线圈盒的设计、电流引线系统的设计、失超保护系统的设计、磁体电源的设计等。图1为CR超导二极磁体3D图,杜瓦外部的8个垂直支撑用于支撑和约束杜瓦内部部件,以及调节磁体线圈在垂直面的位置,4个水平支撑主要用于约束、调节磁体线圈在水平面的位置。3.1cr磁体线圈CR超导二极磁体线圈截面尺寸较小,线圈采用液氦(LHe)浸泡方式冷却,当磁体失超后线圈内储存的电能将转化为焦耳热,由于线圈内部没有冷却介质直接冷却,焦耳热很难及时和液氦进行热交换,为保证磁体失超后的安全,及时转移线圈中储存的能量,用于制作CR磁体线圈的NbTi超导线有较高的铜超比,截面如图2所示。当工作温度为4.2K时,超导体温度裕度为2.8K。导体的部分测试结果如表1所示。3.2anasas技术模型CR超导二极磁体线圈形状为梯形。线圈外部的铁轭能改善束流通道的磁场均匀度,减小线圈的漏磁。磁体工作过程中粒子在高真空的束流通道中运行,束流通道中的磁场精度直接影响到粒子的运行路线,因此束流通道中的磁场精度要求较高。考虑到线圈加工时的难易程度,在工程设计时线圈被设计成梯行,线圈的四个角采用圆弧结构,截面为矩行,对地绝缘单边2mm。表2是线圈结构在低温下的主要参数。为节省运算时间,用ANSYS分析计算时取整个磁体模型的1/4,图3为该模型磁场分布矢量图,图4为束流通道上的磁场分布矢量图,磁场均匀度较好,只是在靠近端部边缘部位磁场均匀度稍差,在直流246A工作电流下,束流通道上除端部外磁场强度基本为1.6T,满足设计要求。分析结果表明线圈圆弧部位的磁场强度较大,在接下来的磁体实验中可以在这里按选定的位置和选定的方向布置霍尔元件进行磁场测量。3.3圈线设计及结果线圈位置对磁场分布影响较大,1mm的位移将引起束流通道上磁场均匀度超过110-4T的变化,所以应进行线圈和支撑的应力、变形分析,合理设计线圈的支撑结构,确保线圈的变形小于0.5mm的设计要求。为达到此要求,设计了联结、支撑两个线圈的线圈盒。根据分析结果,1/2线圈的电磁力如下:在1/2线圈内边缘选取一条路径,图5是该路径上X,Y,Z三个方向上的电磁力的分布,从图中可知,线圈在两长直边没有X方向的电磁力,符合理论分析的结果。线圈通电工作中产生的电磁力将引起线圈变形,为保证线圈形状在允许的精度范围内,对绕制完成后的线圈进行了固化,并且设计了在低温下具有较高强度和稳定性的线圈盒。分析结果显示线圈盒的最大变形约为0.23mm(如图6所示),最大冯·米赛斯应力约为141MPa,小于线圈盒的最大允许变形0.5mm的要求和4.2K温度下316LN的许用应力1000MPa的要求。3.4冷屏的变形是多层材料组成的依据为降低外界对液氦的辐射热,在外杜瓦和液氦容器之间设置有80K冷屏,冷屏采用导热较好的铜制作,在冷屏的外壁布置有冷却管,内通液氮或冷氦气,冷却管布置好以后还需在在冷屏的外表面包裹多层绝热材料。由于冷屏的厚度只有2mm,且支撑间离比较大,分析冷屏的变形是必要的。分析结果显示,冷屏的最大冯·米赛斯应力约为3.2MPa(如图7所示),最大变形约为0.01mm,不会造成包裹多层绝热材料后的冷屏接触外杜瓦。3.5磁体电流引沿线缘和液相容器损失器线圈和线圈盒整体浸泡在316LN的液氦容器中,线圈失超后产生的焦耳热使液氦汽化,导致液氦容器内部压强增大,若氦气不能及时排出液氦容器,可能会引起磁体电流引线绝缘子和液氦容器损坏。为保证磁体安全,在氦气出口附近设计有安全阀,当液氦容器内部的压强达到3atm时,安全阀自动打开使氦气及时排出液氦容器。计算时取液氦容器厚度为5mm,承受的最大压强为10atm,液氦容器的约束为焊接到上下线圈盒底座两侧面的定位板全约束。分析结果显示液氦容器的最大变形为0.234mm(如图8所示),最大冯·米赛斯应力为211MPa,小于4.2K温度下允许的最大变形0.25mm和316LN的许用应力。4实验结果及分析CR超导二极磁体工程设计涉及超导、电磁、低温、真空、计算机辅助设计与分析、机械设计与制造、材料、焊接、测量等多种学科,通过3D绘图软件和有限元分析软件的使用大大缩短了工程设计的周期,提高了工程设计的可靠性,减少了原材料的浪费。在完成CR超导二极磁体工程设计的基础上,只含有单个线圈的实验磁体的设计、加工、装配和实验已于2007年11月5日前完成,实验结果表明导体设计、绝缘设计、电磁特性、机械特性、失超保护系统、电源系统达到了实验的设计要求,能为即将交付的