1.3 GHz超导腔磁通排出效应研究

设计并搭建了一套高精度的磁场测量和补偿系统,并结合中国科学院高能物理研究所(IHEP)的2K超导腔垂直测试平台对1.3 GHz单加速间隙超导腔的磁通排出效应开展了实验研究:利用研制的磁场测量和补偿系统能够精密地测量超导腔赤道位置磁场,并能够将磁场补偿至小于5.0×10-8 T;并对超导腔不同表面温度梯度下的磁通排出效应进行了测量分析;对钉扎了磁场的超导腔进行了射频性能测试,研究了超导腔电阻对磁通钉扎的敏感度,以及在不同电场梯度下超导腔的表面电阻变化情况。结果表明,研制的高精度磁场测量和补偿系统能够满足超导腔磁通排出研究的需求;高的超导腔表面温度梯度有利于磁通的排出;磁通钉扎电阻的敏感度随着加速电场梯度的增加而增大,导致超导腔的性能下降。此实验研究也为后续超导腔的研制奠定了一定基础。     

聚变堆相关的液态金属膜流初步实验研究

在磁约束核聚变堆的面对等离子部件设计中,液态金属锂膜流因具有带走杂质、保护面对等离子固壁等优点而被认为是优选方案之一. 然而,如何克服聚变堆中强磁场环境下产生的磁流体力学效应并形成大面积均匀铺展锂膜流动是目前亟需解决的问题.本文通过搭建室温液 态镓铟锡回路和高温液态锂回路,开展了两种不同特性的液态金属膜流实验, 并采用传统可视化方法获得了展向磁场存在时镓铟锡和锂在导电底板形成的液膜流动表面特征.实验结果 表明: 无磁场时,两种液态金属膜流流动表面波动特性与常规流体膜流均一致, 即随着流动雷诺数的增加表面波动变得更为混乱; 而展向磁场存在时,镓铟锡膜流表面波动变得更为规则, 且沿着磁场方向平行排列,表现为拟二维波动的特征; 而锂膜流却产生了明显的磁流体 力学阻力效应,表现为在流动方向局部产生锂滞留现象, 且滞留点随雷诺数增大向下游移动. 最后通过膜流受力分析,进一步阐述了锂膜流受到比镓铟锡膜流更为严重磁流体力学效应影响的原因.      

液态锂限制器的铺展性测试平台设计及初步实验

为研究液态锂在电磁驱动限制器表面的铺展特性,设计了与EAST限制器接口相同的限制器测试平台。该平台运行时真空环境可达10^-4Pa,对被测限制器可加热至350℃。在限制器锂回路管道上,利用外部2T水平磁场以及竖直方向施加的最大为200A的直流电流,形成电磁驱动力驱动下的锂液循环回路。测试平台设有顶部和正面两个观察窗,能够在可视化条件下,完成液态锂限制器的铺展性测试实验。基于该测试平台,对首次设计的双通路液态锂限制器,研究了不同实验温度和驱动电流下液态锂在限制器表面的流动铺展情况。结果发现,锂的流量和限制器表面结构是影响锂液铺展的主要因素。     

低温下液氦、液氖热物性的分子动力学模拟

本文基于平衡分子动力学模拟方法,采用了含量子修正项的QFH势函数和WK势函数对低温下液氦和液氖进行计算,并通过Green-Kubo公式统计得到热导率和黏性系数。结果表明:液氦和液氖的热导率、黏性系数随温度升高呈线性增大;采用QFH势函数和WK势函数比采用LJ势函数计算得到的热导率更接近实验值,且WK势函数计算结果比采用QFH势获得的结果更准确;WK势函数计算的液氦和液氖的黏性系数也与实验值非常接近。     

1.3 GHz超导腔的掺氮实验

为了大幅度提高纯铌超导腔的品质因数,从而降低其使用功耗,选择对超导腔进行高温氮掺杂处理。立足国内外大型加速器的需求,中国科学院高能物理研究所首先开展了1.3 GHz 1-cell超导腔的研究,包括常规处理以及氮掺杂实验,并且对掺杂前后的结果进行了分析、对比。结果表明,通过掺氮,两只1.3 GHz 1-cell细晶粒纯铌超导腔的品质因数均获得了显著提升,同时在超导腔低温垂直测试中观察到了比较明显的反常的品质因数随加速梯度变化的曲线,即"anti-Q-slope"现象。     

中国散裂中子源二期双spoke超导腔设计

中国散裂中子源是中国第一台、世界第四台脉冲型散裂中子源,其已于2020年2月达到100 kW功率的设计指标,运行稳定高效,供束效率位于国际前列。中国散裂中子源二期升级方案中总束流功率将升级到500 kW,其中直线加速器段将采用超导加速腔结构,束流能量由80 MeV提高到300 MeV。其中在80～165 MeV能量段采用324 MHz双spoke超导腔,在165～300 MeV能量段采用648 MHz 6-cell椭球超导腔。采用CST、COMSOL等仿真软件完成324 MHz双spoke超导腔的电磁、机械设计及优化,达到实际运行指标要求。为了提高腔运行的稳定性,在腔的设计中对E_P/E_acc着重进行了优化,使其尽量降低。     

水平磁场中液态锂膜流动实验装置及初步结果

设计了用于水平磁场中锂膜流动铺展性及磁流体动力学效应研究的实验装置，介绍了所用磁铁、锂循环回路、动力系统、回路温控系统和测量系统五个组成部分。各部分加工完成，进行现场组装与回路调试，最后加入锂锭熔融后完成实验台搭建工作。利用该实验台研究了锂膜在不锈钢表面的铺展情况、锂膜表面形态与流动雷诺数的关系，以及磁场对液膜表面形态的影响等方面。结果发现液态锂膜在充分锂浸润的不锈钢表面能够完全铺展，水平磁场对锂膜流动有致稳作用，并且可以抑制磁场方向的表面波动。     

用SPH-MD耦合算法模拟微通道中的液氩流动

本文构造了SPH(光滑粒子动力学)-MD(分子动力学)耦合程序,在不同宽度微通道内,对不同驱动力下的液氩流动进行了模拟计算。结果表明,在通道宽度较窄时,流体速度分布和黏性系数分布均表现出很强的微尺度效应,随着通道宽度增大,这种微尺度效应逐渐减弱,流动特征逐渐接近于宏观Poiseuille流。     

环路热管式光子吸收器的换热可行性

利用环路热管换热技术对光子吸收器进行换热可以提高光子吸收器的换热效率、减小其结构尺寸,而且运行时无振动,是未来高性能加速器中设计光子吸收器的重要技术储备。分析环路热管在光子吸收器上应用时的传热性能,发现目前环路热管的换热能力完全满足光子吸收器的换热需求,但热沉的结构、特别是导热距离需要严格优化。利用航天五院C18型号环路热管,优化设计了一台环路热管式光子吸收器样机,数值模拟其运行时的温度分布,并实验测试了光子吸收器样机的总体换热能力。