用于探測(cè)器中的超導(dǎo)

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

螺旋管的設(shè)計(jì)1可編輯版

粒子加速器中對(duì)撞點(diǎn)上安裝的大體積、高精度的探測(cè)器多采用螺線管形式的磁體。近年來(lái)，隨著加速器能量的不斷提高，對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度的要求也越來(lái)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(wú)阻載流能力，優(yōu)勢(shì)突出，常用于高能加速器中。

正在運(yùn)行的LHC中的CMS探測(cè)器的超導(dǎo)螺線管，磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到4T，線圈直徑6米，長(zhǎng)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(guò)測(cè)試。

2可編輯版粒子加速器中對(duì)撞點(diǎn)上安裝的大體積、高精度的探測(cè)器多

一、超導(dǎo)螺線管的設(shè)計(jì)

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

3可編輯版一、超導(dǎo)螺線管的設(shè)計(jì)3可編輯版主線圈是產(chǎn)生磁場(chǎng)的主要部分，它的參數(shù)確定很關(guān)鍵。首先設(shè)定主場(chǎng)區(qū)域內(nèi)均勻度和電流裕度，建造數(shù)學(xué)模型，通過(guò)求解約束條件為中心磁場(chǎng)，運(yùn)行電流和磁場(chǎng)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(chǎng)有限元計(jì)算軟件Oprea對(duì)主線圈結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)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(shí)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(chǎng)，提高激磁效率，這樣可以減少線圈的用線量；儲(chǔ)存磁場(chǎng)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(gè)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(yàn)方法。為了找到均勻度更好的組合可以進(jìn)行多次正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每次試驗(yàn)均在上一次正交試驗(yàn)得到的優(yōu)化點(diǎn)附近取一定的范圍進(jìn)行，然后得到一組最優(yōu)點(diǎn)。實(shí)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(jì)可以在中心區(qū)域內(nèi)達(dá)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(yàn)方法。為了找

另外通過(guò)對(duì)超導(dǎo)螺線管磁體進(jìn)行受力分析和磁體熱載荷分析以確保運(yùn)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(jì)算分析得到的線圈的參數(shù)進(jìn)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(duì)地絕緣。8可編輯版二、超導(dǎo)螺線管的裝配根據(jù)計(jì)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(jìn)行本體繞制，即簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，又節(jié)約設(shè)計(jì)空間。在線圈兩頭設(shè)計(jì)兩個(gè)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(wèn)題和解決方案超導(dǎo)螺線管在運(yùn)行過(guò)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(yùn)行中會(huì)遇到兩種主要的擾動(dòng)，連續(xù)擾動(dòng)和瞬變擾動(dòng)。連續(xù)擾動(dòng)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(duì)磁體造成嚴(yán)重的影響。瞬變擾動(dòng)主要來(lái)自磁通跳躍和機(jī)械擾動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使超導(dǎo)磁體失超。14可編輯版三、存在問(wèn)題和解決方案超導(dǎo)螺線管在運(yùn)行解決辦法，對(duì)于磁通跳躍，可以將超導(dǎo)體做成小于一定尺寸的細(xì)絲來(lái)消除它引起擾動(dòng)；對(duì)于機(jī)械擾動(dòng)可以采用先進(jìn)的繞制技術(shù)和工藝來(lái)減小，如在繞制磁體過(guò)程中對(duì)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(shù)脂、石蠟等。

15可編輯版解決辦法，對(duì)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(diǎn)正占據(jù)主導(dǎo)地位，并且超導(dǎo)螺線管會(huì)向著更強(qiáng)磁場(chǎng)強(qiáng)度、高均勻度的方向發(fā)展，目前設(shè)計(jì)的磁場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)到20T，均勻度達(dá)到+/-0.01%。在低溫器方面，制冷機(jī)冷卻的優(yōu)勢(shì)突出，牛津