CN109526132A - 一种异型大尺寸高温超导磁铁 - Google Patents

一种异型大尺寸高温超导磁铁 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异型大尺寸高温超导磁铁，该高场梯度高温超导磁铁用于组成圆形加速器的周期性产生扭摆轨道的磁铁组件，所述高温超导磁铁包括开口朝向加速器圆心且磁极垂直布设的蹄型磁极结构、磁气隙结构、线圈组件、低温恒温室、线圈支撑结构，其特点是：所述异型大尺寸高温超导磁铁的磁极结构为大半径范围变气隙磁极结构、所述线圈组件为采用高温超导材料进行励磁的异型大尺寸高温超导线圈组件。本发明解决了高功率回旋加速器采用常温铜电磁线圈时主磁铁功耗难以降低，而采用低温超导线圈低温功耗难以降低的问题，从而可以有效降低高功率回旋加速器与束流流强无关的能耗，提升了加速器束流的能量效率。

Description

一种异型大尺寸高温超导磁铁
技术领域
本发明属于加速器磁铁技术领域，尤其涉及一种高能(质子动能可达到2GeV)、强流交变梯度回旋加速器连续束加速的异型大尺寸高温超导磁铁。
背景技术
加速器驱动次临界反应堆(ADSR)系统，作为高功率质子加速器的重要应用，要求作为驱动器的高功率质子加速器具有较高的能量效率(定义为：束流功率/用电功率，Beamto Grid power efficiency：η＝Pbeam/Pgrid)。
瑞士保罗谢尔研究所PSI给出了强流回旋加速器中，总耗能的经验公式：Pgrid(MW)＝Pconstan(tMW)+k(MW/mA)·I(mA)。上式中，Pgrid是加速器的总耗能，Pconstant是加速器与束流流强无关的能耗(如主磁铁功耗，真空系统功耗等，单位：MW)，k为随流强变化的功耗变化速率(单位：MW/mA)，I为加速器流强(单位：mA)。
在能量效率公式η＝Pbeam/Pgrid中，考虑到：Pbeam＝E·I；其中E为加速器能量(单位：GeV)当加速器设计指标给定后是个定值，I为加速器流强(单位：mA)，因此为了提高加速器的能量效率，降低Pconstant的大小是有效途径。
超导线圈几乎不损耗功率。由于超导材料的超导电性，超导线圈几乎不损耗功率，相对常温的铜电磁线圈可以大大降低高功率回旋加速器主磁铁的功耗，进而明显降低Pconstant的大小。
在高功率加速器中，低温超导线圈的制冷耗能比高温超导线圈高很多。由于高功率质子加速器的束流流强很高，强流空间电荷效应下，控制束流损失比弱流强的加速器更加困难，即便可以做到弱流束加速器的最高引出效率，损失在加速器内部进而影响主磁铁超导线圈的热负载也是弱流束加速器的百倍甚至千倍。考虑到在低温超导材料工作的液氦温度(<4.5K)与高温超导材料工作的几十K温度下，相同的制冷量，前者比后者所需的低温系统的耗能以及低温系统的价格都高得多，有时可能多一到两个数量级。
常温铜电磁线圈限制了磁铁磁场的沿半径的变化范围。实现高能(质子动能可达到2GeV)、强流交变梯度回旋加速器连续束加速，必须要给束流提供足够的聚焦力，而提高聚焦力的一个重要手段就是实现磁铁沿半径方向大范围的磁场变化，即高的磁场径向梯度。采用高温超导线圈主磁铁的磁场可以轻易超过2.4T，结合磁铁变气隙磁极结构可以获得磁场高的径向梯度，而常温铜电磁线圈激励下的常温磁铁很难超过2.2T(纯铁的饱和磁场)、限制了磁铁磁场的沿半径的变化范围。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种高能(质子动能可达到2GeV)、强流交变梯度回旋加速器的异型大尺寸高温超导磁铁，目的在于解决现有技术回旋加速器磁铁由于常温铜电磁线圈激励下的常温磁铁很难超过2.2T，限制了磁铁磁场的沿半径的变化范围、以及制冷耗能高的问题。
本发明为解决其技术问题采取以下技术方案：
一种异型大尺寸高温超导磁铁，该异型大尺寸高温超导磁铁用于组成圆形加速器的周期性产生扭摆轨道的磁铁组件，该周期性产生扭摆轨道的磁铁组件沿着加速器圆周方向间隔布设，每个磁铁组件由两个正向偏转径向聚焦磁铁和一个反向偏转轴向聚焦磁铁组成，该周期性产生扭摆轨道的磁铁组件用于提供加速束流至高能量所需的聚焦力；
所述异型大尺寸高温超导磁铁包括开口朝向加速器圆心且磁极垂直布设的蹄型磁极结构、磁气隙结构、线圈组件、外真空室、线圈支撑结构，其特征在于：所述异型大尺寸高温超导磁铁的磁极结构为大半径范围变气隙磁极结构、所述线圈组件为采用高温超导材料进行励磁的异型大尺寸高温超导线圈组件。
所述蹄型磁极结构沿加速器半径方向的宽度为束流加速能量达到2GeV及以上时的半径宽度，该宽度包括1米及1米以上；所述大半径范围变气隙磁气隙结构即是上下磁极之间的空间距离随着加速器磁极半径的加长而缩短，且呈上下磁极之间的空间距离h与磁极半径r之间为高次多项式关系，即
所述高温超导励磁线圈对称放置在蹄型磁极两个相对端面的周围并进行励磁，从而在所述随半径而变化的变高度磁气隙结构中产生所设计的高梯度磁场；所述异型大尺寸高温超导线圈工作在20K～60K的低温环境下，放置在低温恒温器中。
所述异型大尺寸高温超导线圈组件沿着线圈环内到环外顺序布设有异型大尺寸高，异型大尺寸高温超导线圈，氦气冷却管，包箍；异型大尺寸高温超导线圈绕制在异型大尺寸高温超导线圈骨架上，氦气冷却管由外方内圆的导热性良好的材料(如铜)拼接制成，并由包箍紧固在异型大尺寸高温超导线圈外表面，氦气冷却管内通低温氦气(～20K)用于冷却异型大尺寸高温超导线圈。
所述外真空室为300K外真空室，该300K外真空室与异型大尺寸高温超导线圈组件组成一个外层-内层的低温恒温室，所述低温恒温室安装在蹄型磁极两个相对端面的周围并固定。
所述300K外真空室内部抽真空，通过若干个异型大尺寸高温超导线圈支撑结构彼此连接，将300K外真空室内部包裹的、工作在低温环境下的异型大尺寸高温超导线圈组件与外界的室温环境进行热隔离；所述线圈支撑结构应选择强度高、热传导系数小的材料(如钛合金或高强度碳纤维材料)，尽量减小300K至低温(20K～60K)之间的传导漏热损失。
本发明的优点效果
1、本发明解决了高功率回旋加速器采用常温铜电磁线圈时主磁铁功耗难以降低，而采用低温超导线圈低温功耗难以降低的问题，从而可以有效降低高功率回旋加速器与束流流强无关的能耗，提升了加速器束流的能量效率。
2、本发明解决了常温铜电磁线圈激励下的常温磁铁很难超过2.2T(纯铁的饱和磁场)，难以获得高的径向场梯度的问题。
附图说明
图1为本发明异型大尺寸高温超导磁铁组件示意图；
图2a为本发明异型大尺寸高温超导磁铁组件立体图；
图2b为本发明异型大尺寸高温超导磁铁组件剖线示意图；
图3为本发明大范围变轨道磁极结构侧视图，包括上下磁极之间的空间距离h与磁极半径r之间的高次多项式关系。
图4为本发明异型大尺寸高温超导磁铁应用于圆形加速器效果图；
图5为气隙与半径的关系图；
图6为磁场曲线图。
图中：1：正向偏转磁极的异型大尺寸高温超导磁铁；2：反向偏转磁极的异型大尺寸高温超导磁铁；1-0：蹄形磁极结构；1-1：大半径范围变气隙磁气隙结构；1-2：异型大尺寸高温超导线圈骨架；1-3：异型大尺寸高温超导线圈；1-4：氦气冷却管；1-5：包箍；1-6：高温超导线圈支撑结构；1-7：300K外真空室。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：
发明原理
1、本发明异型大尺寸高温超导磁铁和周期性扭摆磁铁的关系。采用异型大尺寸高温超导磁铁缘于大半径范围变轨道磁铁的需求，而大半径范围变轨道磁铁又是周期性扭摆磁铁的必然组成部分。所述周期性扭摆磁铁包括在两个正向偏转磁铁中加入了一个反向偏转磁铁，由于粒子穿过加速器轨道的平均磁场按照加权平均法计算，当穿过轨道的两个正向偏转磁铁之间加入了反向磁铁以后，由于加入了反向磁场，为了保持原先的平均磁场不变，必须将原先的两个正向磁极的磁场强度加大，这样就使得正向磁场或者反向磁场沿着加速器半径方向的磁场变化率加大，磁场变化率加大，径向和轴向的聚焦力就越强。由于周期性扭摆磁铁使得在保证平均磁场强度不变的条件下，按照2GV引出能量的需求，能够尽可能增大径向或轴向聚焦力，因此，增加反向磁铁的周期性扭摆磁铁为实现大半径范围变轨道磁铁结构奠定了基础。
由此可以证明：周期性扭摆磁铁提高聚焦力的一个重要手段就是实现磁铁沿半径方向大范围的磁场变化，即高的磁场径向梯度。采用高温超导线圈主磁铁的磁场可以轻易超过2.4T，结合磁铁变气隙磁极结构可以获得磁场高的径向梯度，而常温铜电磁线圈激励下的常温磁铁很难超过2.2T(纯铁的饱和磁场)，也限制了磁铁磁场的沿半径的变化范围。
2、本发明异型大尺寸高温超导磁铁缘于大尺寸周期性扭摆磁铁的需求。由于周期性扭摆磁铁适应2GV引出能量的需求，其沿加速器半径方向的宽度为1米以上甚至达到12米长度，相比传统低(<1GV)引出能量的加速器磁铁宽度，由于其体积加大数倍乃至10几倍必然使得Pconstant加大，
按照能量效率公式：η＝Pbeam/Pgrid；
Pgrid(MW)＝Pconstant(MW)+k(MW/mA)·I(mA)，当加速器磁铁体积加大10几倍的时候，能量效率必然降低。
解决能量效率降低的办法就是在保证磁铁大尺寸需求不变的情况下，降低功率损耗。超导线圈几乎不损耗功率。由于超导材料的超导电性，超导线圈几乎不损耗功率，相对常温的铜电磁线圈可以大大降低高功率回旋加速器主磁铁的功耗，进而明显降低Pconstant的大小。
3、本发明异型大尺寸高温超导磁铁缘于低运行耗能、降低低温系统价格的需求。由于高功率质子加速器的束流流强很高，强流空间电荷效应下，控制束流损失比弱流强的加速器更加困难，即便可以做到弱流束加速器的最高引出效率，损失在加速器内部进而影响主磁铁超导线圈的热负载也是弱流束加速器的百倍甚至千倍。考虑到在低温超导材料工作的液氦温度(<4.5K)与高温超导材料工作的几十K温度下，相同的制冷量，前者比后者所需的低温系统的耗能以及低温系统的价格都高得多，有时可能多一到两个数量级。
基于以上原理，本发明设计了一种异型大尺寸高温超导磁铁，
一种异型大尺寸高温超导磁铁，如图4所示，该异型大尺寸高温超导磁铁1用于组成圆形加速器的周期性产生扭摆轨道的磁铁组件，该周期性产生扭摆轨道的磁铁组件沿着加速器圆周方向间隔布设，每个磁铁组件由两个正向偏转径向聚焦磁铁1和一个反向偏转轴向聚焦磁铁2组成，该周期性产生扭摆轨道的磁铁组件用于提供加速束流至高能量所需的聚焦力。
如图1、图2、图3所示，所述异型大尺寸高温超导磁铁包括开口朝向加速器圆心且磁极垂直布设的蹄型磁极结构、磁气隙结构1-1、线圈组件(1-2、1-3、1-4、1-5)、外真空室、线圈支撑结构1-6，其特征在于：所述异型大尺寸高温超导磁铁的磁极结构为大半径范围变气隙磁极结构、所述线圈组件为采用高温超导材料进行励磁的异型大尺寸高温超导线圈组件。
如图3所示，所述蹄型磁极结构沿加速器半径方向的宽度为束流加速能量达到2GeV及以上时的半径宽度，该宽度包括1米及1米以上；所述大半径范围变气隙磁气隙结构即是上下磁极之间的空间距离随着加速器磁极半径的加长而缩短，且呈上下磁极之间的空间距离h与磁极半径r之间为高次多项式关系，即
所述高温超导励磁线圈对称放置在蹄型磁极两个相对端面的周围并进行励磁，从而在所述随半径而变化的变高度磁气隙结构中产生所设计的高梯度磁场；所述异型大尺寸高温超导线圈工作在20K～60K的低温环境下，放置在低温恒温器中。
所述异型大尺寸高温超导线圈组件沿着线圈环内到环外顺序布设有异型大尺寸高温超导线圈骨架1-2，异型大尺寸高温超导线圈1-3，氦气冷却管1-4，包箍1-5；异型大尺寸高温超导线圈绕制在异型大尺寸高温超导线圈骨架1-2上，氦气冷却管1-4由外方内圆的导热性良好的材料(如铜)拼接制成，并由包箍1-5紧固在异型大尺寸高温超导线圈1-3外表面，氦气冷却管1-4内通低温氦气(～20K)用于冷却异型大尺寸高温超导线圈。
所述外真空室为300K外真空室1-7，该300K外真空室1-7与异型大尺寸高温超导线圈组件(1-2、1-3、1-4、1-5)组成一个外层-内层的低温恒温室，所述低温恒温室安装在蹄型磁极两个相对端面的周围并固定。
所述300K外真空室1-7内部抽真空，通过若干个高温超导线圈支撑结构1-6彼此连接，将300K外真空室1-7内部包裹的、工作在低温环境下的异型大尺寸高温超导线圈组件(1-2、1-3、1-4、1-5)与外界的室温环境进行热隔离；所述线圈支撑结构1-6应选择强度高、热传导系数小的材料(如钛合金或高强度碳纤维材料)，尽量减小300K至低温(20K～60K)之间的传导漏热损失。
实施例
本实施例中，由于采用异型大尺寸高温超导线圈励磁，磁铁沿半径，最低场强为0.59特斯拉，最高场强为2.48特斯拉，可以实现磁场大范围变化(高梯度)，磁铁宽度为1.82米，径向最宽处磁气隙半高度25毫米，中心磁气隙半高度188.62毫米。其气隙与半径的关系如附图5所示，磁场曲线如图6所示。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例。

Claims (6)

1.一种异型大尺寸高温超导磁铁，该异型大尺寸高温超导磁铁用于组成圆形加速器的周期性产生扭摆轨道的磁铁组件，该周期性产生扭摆轨道的磁铁组件沿着加速器圆周方向间隔布设，每个磁铁组件由两个正向偏转径向聚焦磁铁和一个反向偏转轴向聚焦磁铁组成，该周期性产生扭摆轨道的磁铁组件用于提供加速束流至高能量所需的聚焦力。
所述异型大尺寸高温超导磁铁包括开口朝向加速器圆心且磁极垂直布设的蹄型磁极结构、磁气隙结构、线圈组件、外真空室、线圈支撑结构，其特征在于：所述高温超导磁铁的磁极结构为大半径范围变气隙磁极结构、所述线圈组件为采用高温超导材料进行励磁的异型大尺寸高温超导线圈组件。
2.根据权利要求1所述一种异型大尺寸高温超导磁铁，其特征在于：所述蹄型磁极结构沿加速器半径方向的宽度为束流加速能量达到2GeV及以上时的半径宽度，该宽度包括1米及1米以上；所述大半径范围变气隙磁气隙结构即是上下磁极之间的空间距离随着加速器磁极半径的加长而缩短，且呈上下磁极之间的空间距离h与磁极半径r之间为高次多项式关系，即
3.根据权利要求1所述一种异型大尺寸高温超导磁铁，其特征在于：所述高温超导励磁线圈对称放置在蹄型磁极两个相对端面的周围并进行励磁，从而在所述随半径而变化的变高度磁气隙结构中产生所设计的高梯度磁场；所述异型大尺寸高温超导线圈工作在20K～60K的低温环境下，放置在低温恒温器中。
4.根据权利要求1所述一种异型大尺寸高温超导磁铁，其特征在于：所述异型大尺寸高温超导线圈组件沿着线圈环内到环外顺序布设有异型大尺寸高温超导线圈骨架，异型大尺寸高温超导线圈，氦气冷却管，包箍；异型大尺寸高温超导线圈绕制在异型大尺寸高温超导线圈骨架上，氦气冷却管由外方内圆的导热性良好的材料(如铜)拼接制成，并由包箍紧固在异型大尺寸高温超导线圈外表面，氦气冷却管内通低温氦气(～20K)用于冷却异型大尺寸高温超导线圈。
5.根据权利要求1所述一种异型大尺寸高温超导磁铁，其特征在于：所述外真空室为300K外真空室，该300K外真空室与异型大尺寸高温超导线圈组件组成一个外层-内层的低温恒温室，所述低温恒温室安装在蹄型磁极两个相对端面的周围并固定。
6.根据权利要求5所述一种异型大尺寸高温超导磁铁，其特征在于：所述300K外真空室内部抽真空，通过若干个高温超导线圈支撑结构彼此连接，将300K外真空室内部包裹的、工作在低温环境下的异型大尺寸高温超导线圈组件与外界的室温环境进行热隔离；所述线圈支撑结构应选择强度高、热传导系数小的材料(如钛合金或高强度碳纤维材料)，尽量减小300K至低温(20K～60K)之间的传导漏热损失。
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