S型超导六极磁体的电磁-力学分析研究

通过有限元分析的方法对14.5 GHz的ECR离子源中S型六极磁体电磁与力学特性进行了分析研究。对比分析了跑道型、马鞍型和S型三种结构的ECR离子源磁体间的相互作用力,然后以离子源所需的轴向约束场以及磁体间的电磁力为优化对象,研究S型六极磁体的优化。结果表明：相较于传统结构,S型六极磁体结构的优势在于能够提升ECR离子源的轴向磁场以及降低磁体端部所受洛伦兹力和应力。     

先进超导导体测试装置设计分析

针对聚变工程大型超导导体样品在高场下的性能测试需求,设计了内径0.6m、磁场13T的背景磁体系统。磁体系统由6层12个分离式超导线圈组成,线圈采用常规的螺线管结构,由外至内分别使用NbTi、Nb3Sn和YBCO三种超导材料绕制而成;在直径500mm的测试区域范围内产生最高达13.22T的背景磁场,均匀性不低于95%。介绍了磁体线圈主要设计参数,用有限元软件完成电磁、结构分析。结果表明,设计合理可靠,能够满足导体测试装置的需求。     

先进超导导体测试装置设计分析

针对聚变工程大型超导导体样品在高场下的性能测试需求,设计了内径0.6m、磁场13T的背景磁体系统。磁体系统由6层12个分离式超导线圈组成,线圈采用常规的螺线管结构,由外至内分别使用NbTi、Nb₃Sn和YBCO三种超导材料绕制而成;在直径500mm的测试区域范围内产生最高达13.22T的背景磁场,均匀性不低于95%。介绍了磁体线圈主要设计参数,用有限元软件完成电磁、结构分析。结果表明,设计合理可靠,能够满足导体测试装置的需求。     

300 kvar超导同步调相机样机的转子磁体设计与测试

正在研制的300 kvar高温超导同步调相机样机采用二极转子结构,每极上堆叠四组跑道形双饼高温超导线圈,线圈之间使用增强型超导电流桥接头结构来降低磁体内部的接头电阻。通过有限元软件对超导转子磁体的静态磁场分布进行了三维仿真计算,根据计算结果和超导带材临界电流-磁场-角度依赖性数据,得到该超导转子磁体在30 K温度的工作电流不能超过333 A。磁体制造完成后,对磁体以不同的升流速度进行了液氮下的通流实验,结果显示,超导转子磁体在液氮下能够安全通流50 A。在通流实验中,测量得到超导转子磁体内部各接头的电阻值均小于1μΩ。     

2.0T斜螺线管型超导二极磁体设计

基于一种新型的斜螺线管型线圈结构,我们设计了一台2.0T超导二极磁体样机。该磁体由4层斜螺线管线圈组成,工作电流为2960A。线圈孔径为40mm,其中好场区达到了孔径的2/3。由于线圈形状的特殊性,其端部结构无需优化,各高阶谐波量沿轴向积分为零。文中介绍了斜螺线管型线圈的特点和原理,借助两种电磁场分析软件,完成了超导二极磁体的磁场设计,最后简要介绍磁体的加工情况。     

CCT型超导组合磁体样机结构设计

基于斜螺线管型(Canted-Cosine-Theta,简称CCT)线圈结构,研制了一台四极与六极组合的超导磁体样机,它的四极和六极梯度场分别为22 T/m和120 T/m²。该组合型磁体的好场区范围为Φ0.16 m×1.3 m,有效长度为1.3 m。其中四极与六极磁体均采用两层骨架结构,每层骨架的线槽内并排放置多层多根超导线。本文根据导体轨迹,以约束电磁力为结构设计目标,设计了磁体关键部件线圈支撑骨架和磁体内外支撑结构,并介绍了磁体制造过程中的关键环节。     

开放式自屏蔽全身成像高场超导MRI磁体优化设计

本文发展了开放式自屏蔽全身成像高场超导磁共振成像（MRI）磁体的优化设计方法,使设计出来的磁体仅有4 对超导线圈. 这种开放结构的超导MRI磁体优化设计方法集成了线性规划算法和遗传算法. 通过迭代线性规划算法可以在考虑成像区域（DSV）磁感应强度约束、磁场不均匀度约束、5 Gs线范围约束、线圈区域最大磁场值约束和最大环向应力约束的条件下,获得用线量最少的线圈初始形状和位置,同时可以得到每个线圈的层数和每层匝数;通过遗传算法可以提高DSV区域的磁场不均匀度,以达到高质量成像的要求. 这种集成的优化设计方法既可以灵活有效的设计开放式MRI磁体,也可以设计传统的圆柱形MRI磁体,本文通过一个1.2 T的开放式MRI磁体的设计清楚的展示了这种优化方法. 关键词： 线性规划算法 遗传算法 自屏蔽 开放式超导MRI磁体     

中国科学院近代物理研究所磁体工程进展概述(英文)

本文着重论述了中国科学院近代物理研究所目前正在研制的三大磁体工程,它们包括重离子治癌工程(HIMM),强流重离子加速器(HIAF)工程,以及加速器驱动次临界系统(ADS)。在HIMM工程中的常规磁体建设中,着重介绍了联合运用钝化槽与活极头两项技术改善磁场品质的设计方法,并且运用Opera-3D设计软件,对该类高场常规磁体进行了数值分析,进一步地测量了该磁体磁场分布情况,相关的测量结果与数值模拟结果吻合良好。而对于正在处于预研阶段的HIAF工程中的快脉冲超导二极磁体,讨论了超导磁体的前期设计与结构优化技术,包括CACC超导线缆的结构设计,80 K冷屏与线圈盒结构的优化,力-磁耦合结构计算方法等。而在嬗变核废料处理的C-ADS注入器II中,核心部件是具有高磁场(高达7～8 T)的多层复合超导螺线管磁体结构,介绍了其在励磁和失超过程中相关磁学和力学多场实验测试工作。这些相关的设计和测量技术将为中国科学院近代物理研究所自主研制的磁体工程的物理和结构设计提供方法和指导。     

超导磁体及其应用

 1911年,荷兰物理学家昂纳斯(Onnes)观察到水银在4K下出现超导现象,随后又发现铅、锡等元素也属于超导物质,但是这些元素的超导状态极易因磁场影响而被破坏,例如铅在550Gs的磁场下就会失去超导状态,因此无法用它们绕制磁体。直到60年代发现铌锆等合金材料具有超导性后,实用超导磁体才得以实现。但是,早期的超导磁体容易受到一些因素(如力、热等)的影响而转变为正常态,从而使磁体损坏;尤其是大型超导磁体,由于储能增加,当磁体失去超导态后极易将磁体烧损,加上冷却磁体的液氦不易获得且比较昂贵,因此它的实际应用受到限制。     

15 T高场复合超导磁体低温实验研究

大孔径高均匀度高场磁体是进行超导材料性能测试的必要条件之一.本文主要介绍了15 T高场复合超导磁体的低温励磁实验与结果.该磁体包括两个高性能Nb3Sn线圈、一个ITER Nb3Sn线圈和一个NbTi线圈,分别处于磁体的高、中、低场部分.磁体外径329.9 mm,高度401.44 mm,中心孔径77.5 mm,磁体中心磁场测量值14.94 T,轴向磁场(98％)均匀区测量长度55 mm,超过了磁体设计指标要求的40 mm,测试结果满足设计要求.     

25T超导磁体优化中线圈数量影响分析

20 T以上强磁场在高场科学工程中有着不可替代的作用. 电工研究所正在研制一个25 T全超导磁体系统, 包括15 T背景磁场和10 T高温超导内插磁体. 在磁体的设计和优化中, 线圈的数量和种类对于最终优化结果十分关键. 为了研究磁体数量和磁体相关参数的关系, 计算了20 组不同的线圈组合下磁体的优化结果. 优化中除了考虑必要的限制条件以外, 还采用了一种结合局部优化算法和全局优化算法的方法. 通过对比分析发现, 线圈数量和磁体造价之间, 存在一个“V”形的关系. 更进一步地, 本文分析了不同超导体在磁体中应该贡献的最佳磁场, 以及背景磁体统一供电给优化结果带来的影响.     

高压下Nb3Sn单晶的超导相转变

研究高压下Nb₃Sn单晶的超导相转变行为对探究力学变形诱导的材料超导性能弱化机理有重要意义。通过分子动力学模拟研究了Nb₃Sn单晶在高压下的原子尺度变形和晶体结构变化,在此基础上,建立了高压下Nb₃Sn单晶的超导相转变模型,模型预测结果与实验观测结果吻合较好。结果表明:静水压作用下,Nb₃Sn单晶体发生了明显的晶格畸变,但晶体结构保持完整;压力诱导的费米面上电子态密度的变化在高压下Nb₃Sn单晶体超导相转变中起主导作用。所得研究结果为研究高压下Nb₃Sn多晶体以及复合多晶体的相转变行为奠定了基础,同时有助于进一步认识Nb₃Sn材料超导性能的弱化机理。     

SECRAL超导磁体系统的结构分析

An advanced superconducting ECR ion source named SECRAL has been constructed at Institute of Modern Physics of Chinese Academy of Sciences,whose superconducting magnet assembly consists of three axial solenoid coils and six sextupole coils with a cold iron structure as field booster and clamp.In order to investigate the structure of sextupole coils and to increase the structural reliabilities of the magnet system, global and local structural analysis have been performed in various operation scenarios.Winding pack and support structure design of magnet system,mechanical calculation and stress analysis are given in this paper. From the analysis results,it has been found that the magnet system is safe in the referential operation scenarios and the configuration of the magnet complies with design requirements of the SECRAL.     

SECRAL在18GHz频率下产生强流高电荷态离子束的初步结果

A Superconducting ECR ion source with Advanced design in Lanzhou (SECRAL) was successfully built to produce intense beams of highly charged ions for Heavy Ion Research Facility in Lanzhou (HIRFL).The ion source has been optimized to be operated at 28GHz for its maximum performance.The superconducting magnet confinement configuration of the ion source consists of three axial solenoid coils and six sextupole coils with a cold iron structure as field booster and clamping.For 28GHz operation,the magnet assembly can produce peak mirror fields on axis 3.6T at injection,2.2T at extraction and a radial sextupole field of 2.0T at plasma chamber wall.A unique feature of SECRAL is that the three axial solenoid coils are located inside of the sextupole bore in order to reduce the interaction forces between the sextupole coils and the solenoid coils. During the ongoing commissioning phase at 18GHz with a stainless steel chamber,tests with various gases and some metals have been conducted with microwave power less than 3.2kW and it turned out the performance is very promising.Some record ion beam intensities have been produced,for instance,810eμA of O~(7 ),505eμA of Xe~(20 ),306eμA of Xe~(27 ),21eμA of Xe~(34 ),2.4eμA of Xe~(38 ) and so on.To reach better results for highly charged ion beams,further modifications such as an aluminium chamber with better cooling,higher microwave power and a movable extraction system will be done,and also emittance measurements are being prepared.     

Experimental investigation of AC losses and effective time constant in the high current cable

The report is dedicated to the results of AC-loss measurements in the ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) Nb₃Sn strand and ITER design subsize cable samples. The test facility described below includes the set of superconducting magnet systems furnished with boil-off calorimetric inserts and calorimetric schemes including gas-flow meters. The calorimetric method and the magnetization loop recording method were used simultaneously for the AC-loss measurements. The coincidence between the results of both measuring techniques was confirmed. The original calorimetric scheme makes it possible to measure the released energy during one pulse of the magnet field. The results of AC loss measurements in ITER subsize conductor samples manufactured in Russia are given as an example.     

CFETR中心螺线管超导模型线圈预紧机构的优化设计及分析

介绍了中国聚变工程实验反应堆(CFETR)中心螺线管(CS)超导模型线圈，其主要包括Nb₃Sn线圈、NbTi线圈、预紧机构、缓冲区、接头、接头支撑、冷却氦管和氦管支撑等部件。CS模型线圈预紧机构由15个预紧梁、30根预紧杆和支撑板组成。在室温下对预紧机构施加75MN的预紧力，基于ANSYS的电磁分析及优化设计模块进行了预紧机构优化设计和力学分析。力学分析结果表明，预紧机构满足使用要求。     

ITER超导股线的力学性能测试

介绍了Pacman装置的设计原理,用Pacman装置测量了OST公司通过内锡法工艺制备的Nb₃Sn超导股线在12T,4.2K条件下单轴方向的临界电流与应变的关系,应变的范围在-0.8%～+0.6%。用偏量比例模型模拟了临界电流与轴向应变之间的规律,分析了随应变的改变n值的变化,得出了Nb₃Sn超导股线对应变的敏感程度。     

Coupling current control in Rutherford cables wound with NbTi, Nb3Sn, and Bi:2212/Ag

Calorimetric measurements of AC loss have been performed on Rutherford cables wound with NbTi, Nb₃Sn, and Bi:2212/Ag strands, respectively. For the NbTi cables Ni and stabrite coatings had been applied, while for the Nb₃Sn and Bi:2212/Ag cables the strand surfaces were just bare Cu or Ag, respectively. Most of the cables contained resistive cores: ribbons of kapton, or titanium (NbTi), stainless steel (NbTi and Nb₃Sn), and nichrome-80 (Bi:2212/Ag). In all cases the cores were found to lead to a strong suppression of the face-on (field normal to the broad cable face) coupling current loss; to such an extent that even the Bi:2212/Ag cables, which would otherwise be severely cross-sintered, show the possibility of acceptable coupling loss. Effective crossover interstrand contact resistances are calculated and normalized to a standard cable specification (‘LHC inner') for the purpose of intercomparison.