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用于探測器中的超導(dǎo)

螺旋管的設(shè)計培養(yǎng)單位：近代物理研究所導(dǎo)師：馬力禎報告人：陳玉泉1可編輯版用于探測器中的超導(dǎo)

螺旋管的設(shè)計1可編輯版

粒子加速器中對撞點上安裝的大體積、高精度的探測器多采用螺線管形式的磁體。近年來，隨著加速器能量的不斷提高，對磁場強度的要求也越來越高，常規(guī)螺線管已不能滿足要求。超導(dǎo)螺線管由于其無阻載流能力，優(yōu)勢突出，常用于高能加速器中。

正在運行的LHC中的CMS探測器的超導(dǎo)螺線管，磁場強度達到4T，線圈直徑6米，長12.5米。近物所自主研制的5T有源屏蔽超導(dǎo)磁體也已經(jīng)通過測試。

2可編輯版粒子加速器中對撞點上安裝的大體積、高精度的探測器多

一、超導(dǎo)螺線管的設(shè)計

通常已知的參數(shù)只有對磁場的要求、尺寸的限制、超導(dǎo)線的臨界值，設(shè)計的目的就是根據(jù)磁場分布求出符合這一場分布的邊界條件和場源分布并且在工程上能經(jīng)濟地實現(xiàn)。整個超導(dǎo)螺線管由三部分構(gòu)成：主線圈、鐵軛、端部墊補線圈。

3可編輯版一、超導(dǎo)螺線管的設(shè)計3可編輯版主線圈是產(chǎn)生磁場的主要部分，它的參數(shù)確定很關(guān)鍵。首先設(shè)定主場區(qū)域內(nèi)均勻度和電流裕度，建造數(shù)學(xué)模型，通過求解約束條件為中心磁場，運行電流和磁場均勻度下的目標(biāo)函數(shù)，得到最接近目標(biāo)函數(shù)和約束條件的各參數(shù)值，得到螺線管的徑向?qū)訑?shù)，軸向匝數(shù)和電流密度。然后利用專業(yè)的磁場有限元計算軟件Oprea對主線圈結(jié)果進行驗證。線圈通常由截面為圓形或矩形的超導(dǎo)線繞制而成，超導(dǎo)線一般采用NbTi或Nb3Sn，實際應(yīng)用中常在超導(dǎo)線上敷銅，稱為復(fù)合超導(dǎo)線。4可編輯版4可編輯版鐵軛

鐵軛的作用有三：屏蔽露場，提高激磁效率，這樣可以減少線圈的用線量；儲存磁場的部分能量。超導(dǎo)螺線管一般采用冷鐵軛結(jié)構(gòu)，將鐵軛連同超導(dǎo)線圈一起浸泡在低溫容器中，這樣做的好處是結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，激磁效率高，能很大程度節(jié)省超導(dǎo)線。鐵扼的結(jié)構(gòu)由四個參數(shù)決定：筒壁內(nèi)半徑筒壁高度筒壁厚度兩端端板厚度5可編輯版鐵軛5可編輯版鐵軛的參數(shù)的確定可以用正交試驗方法。為了找到均勻度更好的組合可以進行多次正交試驗設(shè)計，每次試驗均在上一次正交試驗得到的優(yōu)化點附近取一定的范圍進行，然后得到一組最優(yōu)點。實際情況中，還要考慮線圈的冷卻空間和鐵軛不飽和的情況下鐵軛材料的重量。端部線圈的合理設(shè)計可以在中心區(qū)域內(nèi)達到很高的均勻度。6可編輯版鐵軛的參數(shù)的確定可以用正交試驗方法。為了找

另外通過對超導(dǎo)螺線管磁體進行受力分析和磁體熱載荷分析以確保運行穩(wěn)定。超導(dǎo)螺線管所需要的低溫結(jié)構(gòu)，一般采用液氦浸泡，并在液氦槽與真空筒之間設(shè)置液氮冷屏，可以有效減少外部熱量向內(nèi)部的傳遞。7可編輯版7可編輯版二、超導(dǎo)螺線管的裝配根據(jù)計算分析得到的線圈的參數(shù)進行線圈繞制。

另外還要考慮超導(dǎo)線的匝間、層間和磁體的對地絕緣。8可編輯版二、超導(dǎo)螺線管的裝配根據(jù)計算分析得到的線圈

支撐筒和鐵軛：直接利用液氦槽的內(nèi)筒作為線圈的支撐筒進行本體繞制，即簡化結(jié)構(gòu)，又節(jié)約設(shè)計空間。在線圈兩頭設(shè)計兩個側(cè)擋環(huán)，用于在軸向方向固定線圈。9可編輯版9可編輯版10可編輯版10可編輯版11可編輯版11可編輯版12可編輯版12可編輯版13可編輯版13可編輯版三、存在問題和解決方案超導(dǎo)螺線管在運行過程中的穩(wěn)定性是十分重要的參數(shù)，有些因素可能導(dǎo)致其失超。磁體在運行中會遇到兩種主要的擾動，連續(xù)擾動和瞬變擾動。連續(xù)擾動主要是由輸入到線圈的穩(wěn)態(tài)功率所產(chǎn)生，如兩根超導(dǎo)線間的接頭電阻、電流引線的熱導(dǎo)和焦耳熱、低溫器的漏熱等產(chǎn)生，可以采取相應(yīng)措施避免其對磁體造成嚴(yán)重的影響。瞬變擾動主要來自磁通跳躍和機械擾動，嚴(yán)重時會使超導(dǎo)磁體失超。14可編輯版三、存在問題和解決方案超導(dǎo)螺線管在運行解決辦法，對于磁通跳躍，可以將超導(dǎo)體做成小于一定尺寸的細絲來消除它引起擾動；對于機械擾動可以采用先進的繞制技術(shù)和工藝來減小，如在繞制磁體過程中對超導(dǎo)線施加適當(dāng)預(yù)緊力，在匝間和層間填充適當(dāng)材料，如環(huán)氧樹脂、石蠟等。

15可編輯版解決辦法，對于磁通跳躍，可以將超導(dǎo)體做成小于四、發(fā)展前景在高能加速器中應(yīng)用中超導(dǎo)螺線管以其優(yōu)于常規(guī)螺線管的優(yōu)點正占據(jù)主導(dǎo)地位，并且超導(dǎo)螺線管會向著更強磁場強度、高均勻度的方向發(fā)展，目前設(shè)計的磁場強度可達到20T，均勻度達到+/-0.01%。在低溫器方面，制冷機冷卻的優(yōu)勢突出，牛津