用于探测器的超导磁铁

用于探测器中的超导螺旋管的设计培养单位：近代物理研究所导 师：马力祯报 告 人：陈玉泉 粒子加速器中对撞点上安装的大体积、高精度的探测器多采用螺线管形式的磁体。近年来，随着加速器能量的不断提高，对磁场强度的要求也越来越高，常规螺线管已不能满足要求。超导螺线管由于其无阻载流能力，优势突出，常用于高能加速器中。正在运行的 LHC中的 CMS探测器的超导螺线管，磁场强度达到 4T，线圈直径 6米，长 12.5米。近物所自主研制的 5T有源屏蔽超导磁体也已经通过测试。 一、超导螺线管的设计通常已知的参数只有对磁场的要求、尺寸的限制、超导线的临界值，设计的目的就是根据磁场分布求出符合这一场分布的边界条件和场源分布并且在工程上能经济地实现。整个超导螺线管由三部分构成：主线圈、铁轭、端部垫补线圈。主线圈是产生磁场的主要部分，它的参数确定很关键。首先设定主场区域内均匀度和电流裕度，建造数学模型，通过求解约束条件为中心磁场，运行电流和磁场均匀度下的目标函数，得到最接近目标函数和约束条件的各参数值，得到螺线管的径向层数，轴向匝数和电流密度。然后利用专业的磁场有限元计算软件 Oprea对主线圈结果进行验证。 线圈通常由截面为圆形或矩形的超导线绕制而成，超导线一般采用 NbTi或 Nb3Sn，实际应用中常在超导线上敷铜，称为复合超导线。铁轭铁轭的作用有三：屏蔽露场，提高激磁效率，这样可以减少线圈的用线量；储存磁场的部分能量。超导螺线管一般采用冷铁轭结构，将铁轭连同超导线圈一起浸泡在低温容器中，这样做的好处是结构紧凑，体积小，激磁效率高 ，能很大程度节省超导线。铁扼的结构由四个参数决定：筒壁内半径筒壁高度筒壁厚度两端端板厚度铁轭的参数的确定可以用正交试验方法。为了找到均匀度更好的组合可以进行多次正交试验设计，每次试验均在上一次正交试验得到的优化点附近取一定的范围进行，然后得到一组最优点。实际情况中，还要考虑线圈的冷却空间和铁轭不饱和的情况下铁轭材料的重量。端部线圈的合理设计可以在中心区域内达到很高的均匀度。另外通过对超导螺线管磁体进行受力分析和磁体热载荷分析以确保运行稳定。超导螺线管所需要的低温结构，一般采用液氦浸泡，并在液氦槽与真空筒之间设置液氮冷屏，可以有效减少外部热量向内部的传递。二、超导螺线管的装配根据计算分析得到的线圈的参数进行线圈绕制。另外还要考虑超导线的匝间、层间和磁体的对地绝缘。支撑筒和铁轭：直接利用液氦槽的内筒作为线圈的支撑筒进行本体绕制，即简化结构，又节约设计空间。在线圈两头设计两个侧挡环，用于在轴向方向固定线圈。三、存在问题和解决方案超导螺线管在运行过程中的稳定性是十分重要的参数，有些因素可能导致其失超。磁体在运行中会遇到两种主要的扰动，连续扰动和瞬变扰动。连续扰动主要是由输入到线圈的稳态功率所产生，如两根超导线间的接头电阻、电流引线的热导和焦耳热、低温器的漏热等产生，可以采取相应措施避免其对磁体造成严重的影响。瞬变扰动主要来自磁通跳跃和机械扰动，严重时会使超导磁体失超。解决办法，对于磁通跳跃，可以将超导体做成小于一定尺寸的细丝来消除它引起扰动；对于机械扰动可以采用先进的绕制技术和工艺来减小，如在绕制磁体过程中对超导线施加适当预紧力，在匝间和层间填充适当材料，如环氧树脂、石蜡等。四、发展前景在高能加速器中应用中超导螺线管以其优于常规螺线管的优点正占据主导地位，并且超导螺线管会向着更强磁场强度、高均匀度的方向发展，目前设计的磁场强度可达到 20T，均匀度达到