40T混合磁体外超导磁体冷却分析和实验研究

发布时间：2020-10-22 03:05

　　 强磁场,和超高压、极低温一起,被列为现代科学实验最重要的三大极端条件,是物理、材料、生物等学科进行科学研究的利器,被人们成为诺贝尔奖的摇篮,是各国科学界加以追求的目标之一。中国在经历了将近10年的设计和建设,于2016年8月建成40 T混合磁体稳态强磁场实验装置,2017年5月全面完成调试和验收,与法国、波兰、日本、德国、美国一起,并列成为拥有建成的稳态强磁场装置的五大国家,具有世界领先水平。混合磁体内包含内水冷磁体和外超导磁体,内水冷磁体提供30 T磁场,外超导磁体提供10 T磁场,混合磁体的中心场强达到40 T。本课题主要对低温系统的建设、联合运行以及混合磁体外超导磁体的降温过程计算和实际调试进行研究,工作内容主要包括:充分了解和学习360 W@4.5K低温系统结构、组成和运行模式,了解外超导磁体结构、基本的降温方法和相关工作要求,以及低温系统与磁体的联合运行方式,了解各子系统的作用和分工,理解对磁体降温的设计方案和要求,为后期的调试工作做好前期准备。根据降温设计的要求,对外超导磁体的降温过程开展讨论。分为两个阶段:第一阶段从300 K降温至80 K,第二阶段从80 K降温至5 K。对于第一阶段降温的数值计算,分别对磁体线圈、内部结构进行合理的抽象和简化,并对整个超导磁体建立了降温模型,通过模型的计算可以获得磁体线圈内各个时间段冷质量和氦气沿着流动方向在降温过程中的温度分布和流动状态,并且满足磁体内部最大温差小于50 K的工程要求。对于第二阶段,将制冷机的膨胀机开启后,降温不再受温差限制,利用膨胀机提供的冷量,将磁体降温至5 K。计算结果表明,磁体内各线圈能够保持同步降温的状态,从300 K降温至5 K的整个过程可以在580个小时内完成。对建成的超导磁体进行降温调试,完成励磁实验。降温的基本流程分为低温系统部分,阀箱部分和磁体部分。调试前,需要将系统内所有管道进行抽空置换,排出内部杂质气体,以防在低温下凝结固化堵塞通道。氦气通过制冷机降温后通入分配阀箱,再由分配阀箱向磁体各通道供气。从300 K降温到80 K的预冷阶段,冷量来源自液氮的消耗,从80 K到5K的降温阶段,开启制冷机内部膨胀机,保持更低温度的冷量供应。两次降温调试的整个过程历时大约23天,预冷阶段在出现最大温差超过50 K之后,及时对降温策略进行调整,保证了磁体不受局部应力过大而损坏。对计算模型中选用的摩擦系数公式进行修正调整,对实验数据进行整理,分析实际调试过程和计算过程的差别对比。在实际的调试过程中,发现系统中存在一些特殊的问题,比如有系统内部的温度传感器和真空规管受磁场影响比较大,在系统励磁中会表现出示数变化,影响系统正常监控或者操作,需要对其进行变化规律的总结和磁屏蔽计算,设计屏蔽罩尺寸和厚度;随着二代高温超导材料的兴起,电流引线的改造升级也近在眼前,而新材料最大的应用困难是焊接工艺,需要对传统的焊接工艺进行改进才能得到更好的应用。本文同时对这些相关的拓展项目开展理论或者实验研究。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TL622
【部分图文】：

随着科技发展的日新月异，国际上超导强磁场装置、核聚变装置、??高能加速器装置和超导储能装置越来越多，大型超导磁体的应用更加广泛而深??入，这也促使大中型氦制冷机系统的研制和建设有了长足的发展【３８］。??欧洲核子中心（ＣＥＲＮ）大型强子对撞机（ＬＨＣ）是目前世界上最高能量的??强子对撞机，其内部的超导系统内包含约１８００个不同的高场强磁体，分布在周??长为２７．６ｋｍ的隧道上科学家用了约１２００吨的Ｎｂ＿Ｔｉ主材，制造了所有??大大小小的超导磁体，并且只有将超导磁体冷却到１．９?Ｋ，才能够获得实验或工??作需要的８．３?Ｔ磁场。作为如此大系统的低温环境支持平台，ＣＥＲＮ的低温系统??为世界上最大的低温系统，总的设计氦制冷量达到１４４?ｋ＼Ｖ／４．５?Ｋ和２０?ｋＷ／１．９?Ｋ，??为了冷量的按需分配，还设计了最大低温分配系统。在超导磁体分布的大环周长??上一共分布８个低温站，每个站间距环线长度３．３?ｋｍ，在以每个低温站为中心平??均划分的扇区里，配置有两台制冷量分别为１８ｋＷ／４．５Ｋ和２．４ｋＷ／１．８Ｋ的氦制??冷机，为所在单元提供冷量。低温系统需要冷却的超导磁体总质量约４７０００吨，??工作计划要求要在１４天内将各部分的冷质量从室温冷却到１．９?Ｋ，且要将盛装磁??体杜瓦内２／３的空间以液氦填充。??１．８?Ｋ?Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ?Ｕｎｉｔ?Ｎｅｗ?４．５?Ｋ?Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ?Ｅｘｉｓｔｉｎｇ?４．５?Ｋ?ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ?１．８?Ｋ?Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ?Ｕｎｉｔ??

??图１．２法液空公司设计的１８ｋＷ／４．５Ｋ氦制冷机流程简图??图１．１为每个扇区的低温系统的流程简图。图１．２展示了法液空公司为ＬＨＣ??设计制造的具有８台膨胀机的１８?ｋＷ／４．５?Ｋ低温系统的流程，图１．３为中林德公??司设计的具有相同制冷能力的低温系统，其内部具有１０台膨胀机。有报道称２００８??年１０月２０日，ＬＨＣ系统８个扇区内的所有超导磁体均被成功地冷却到１．９?Ｋ温??度，达到操作温度标准，并在两年后，加速器内完成质子流对撞试验。??ｉ?ｌｎ２－??Ｍ?丨??１??Ｔ４?Ｔ５?Ｔ６?Ｔ７?Ｔ８?Ｔ９?ＴＯ??ｒＯＣＷｈ．．?．．?２－?ＪＯＯ，?［００，?ｒＯＯ，?［０——??ＴＩＴ２Ｔ３?＾?ｒ，?“??ｎ?Ｈ?ｈｉ?＇ｌｌ?ｉｎ＾ｎ??＇ｔ－－－??Ｉ?＂?ｌ＂￣＂?Ｉ

个过程所用时间相差将近一倍＠］，实际降温时间大约耗时５０天，比预计的时间??多出２０天。文章分析主要的原因是制冷机制冷能量的降低，可以说，实际的降??温调试过程要比计算时考虑到的情况复杂得多，计算误差在所难免。图１．７显示??了实际降温时间和预计降温时间的对比。??３００?ｔｖ??一?＾ｓｕｒｅｄａｖｅ＾?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?６００??｜｜?■?■?Ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ?ａｖｅｒａｇｅ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ??２５０?Ｉ?ｊ?Ｍｅａｓｕｒｅｄ?ｃｏｏｌｉｎｇ?ｐｏｗｅｒ??＾??ｆ?２０°?－?ｖｒｖｐ?ｔｋ｜｜?－－－－－?－４〇〇?｜??｜１５〇Ｊｉｍ?－??３００?１??Ｉ?ｉ〇〇?－Ｊ－Ｌ－｜??—－?２〇〇?｜??５０?…Ｉ……二Ｉ?１〇０?°??〇?－ｐ－———ｙ?Ｊ?Ｌ－ｉ?喊?〇??０?１０?２０?３０?４０?５０??ｔｉｍｅ?［ｄａｙ］??图１．７?ＬＨＣ磁体实际降温时间与预计降温时间对比??８??
【参考文献】

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本文编号：2851008