EAST超导托卡马克装置中的大型超导磁体技术

随着大型超导核聚变装置、超导储能装置、超导强磁场装置及高能超导加速器技术参数的不断提高，大型超导磁体的应用也在加速发展中．大型超导磁体的场强较高、储能较大，对导体的结构、磁体结构、绝缘结构、制造工艺等要求与通常小型超导磁体有很大的不同．本文旨在对国家重大科学工程项目“EAST（HT-7U）超导托卡马克核聚变实验装置”的大型超导磁体关键技术作一介绍．     

High-field NMR using resistive and hybrid magnets

Resistive and resistive-superconducting hybrid magnets can generate dc magnetic fields much higher than conventional superconducting NMR magnets but the field spatial homogeneity and temporal stability are usually not sufficient for high-resolution NMR experiments. Hardware and technique development addressing these issues are presented for high-resolution NMR at magnetic fields up to 40T. Passive ferromagnetic shimming and magic-angle spinning are used effectively to reduce the broadening from inhomogeneous magnetic field. A phase correction technique based on simultaneous heteronuclear detection is developed to compensate magnetic field fluctuations to achieve high spectral resolution.     

Modeling the static fringe field of superconducting magnets

The resonance frequency-space and the frequency gradient-space relations are evaluated analytically for the static fringe magnetic field of superconducting magnets used in the NMR diffusion measurements. The model takes into account the actual design of the high-homogeneity magnet coil system that consists of the main coil and the cryoshim coils and enables a precise calibration of the on-axis magnetic field gradient and the resonance frequency inside and outside of the superconducting coil.     

辅助永磁体厚度对单畴GdBCO超导体捕获磁场分布及其磁悬浮力的影响

研究了两种磁悬浮系统组态中圆台形辅助永磁体厚度对高温超导体捕获磁场和超导磁悬浮力的影响。结果表明,圆台形辅助永磁体的下表面和GdBCO超导体上表面同处在一个水平面上,磁化用圆台形辅助永磁体的厚度H从5 mm增加到45 mm时,超导体捕获磁场和磁悬浮力与圆台形辅助永磁体的厚度直接相关。（1）当圆台形辅助永磁体的北极垂直向上且用液氮冷却后移除辅助永磁体时,最大磁悬浮力从21.8 N增大到26.5 N,再减小到22.9 N;（2）当圆台形辅助永磁体的北极垂直向下且用液氮冷却后移除辅助永磁体时,最大磁悬浮力从20.5 N减小到11.9 N ,再增加到20.4 N;（3）两种磁悬浮系统组态中最大磁悬浮力不一致,与零场冷情况下的最大磁悬浮力14.6 N也不同。在超导磁悬浮应用系统设计中,只有科学选择辅助永磁体形状和尺寸,合理设计组合方式,才能获得较强的磁场强度,提高超导磁悬浮力特性,该结果对促进高温超导体的实际应用具有重要的指导作用。     

大孔径背景场磁体的设计与分析

基于中国聚变工程实验堆(CFETR)接头的设计要求，提供了一种大孔径背景场磁体的设计方案。构造出大孔径背景场磁体的结构，利用背景场磁体来得到相应的磁场数据，对比研究磁体的参数对磁场的影响，得出相关参数的变化规律。利用Gandalf 程序模拟计算出CFETR 接头背景场磁体的分流温度，考虑到液氦的流体力学性能，采用Gandalf 程序模拟超导股线的失超行为，估算出较为精确的最小失超能。将最小失超能作为Q₀ 值代入到程序中得出热斑温度值，分析结果表明，设计符合要求，为CFETR 高温超导接头的制作和实验提供了可靠依据。     

轴对称高场超导磁体电磁应力有限元分析方法

核磁共振成像和核磁共振谱仪是高场超导磁体的主要应用领域.高场超导磁体通常具有较高的磁场和运行电流,在运行过程中超导线会产生较高的电磁应力,其临界特性将发生退化,影响磁体的稳定性.开展高场超导磁体的电磁应力精确分析显得尤为必要.本文发展了一种快速有效的有限元分析方法,第一步,为整个超导磁体系统建立平均有限元模型,采用传统的电磁-结构耦合方法求解电磁应力,获得最大应力位置;第二步,对最大应力所在的超导线圈建立详细有限元模型,采用单积分-结构分析方法精确求解每一组分中电磁应力.基于该模型研究了500 MHz NMR超导磁体的电磁应力.该分析方法也可以用于超导磁体冷却过程中的热应力分析.为高场超导磁体设计和建造提供有益的理论依据.     

磁约束等离子体推进器磁体系统的电磁力和机械应力分析

根据磁约束等离子体推进器磁体系统的设计参数,通过ANSYS有限元分析软件在电磁-结构耦合场方面的计算,得到磁体系统的轴向电磁力和机械应力的分布。计算超导磁体在通电情况下,磁体中平面上所有节点所受的轴向电磁压缩力以及磁体间的相互作用力;计算出磁体外层用不锈钢钢丝加固前后机械应力分布情况的变化。     

超导磁共振主磁体励磁测控系统设计与开发

医用超导磁共振主磁体在励磁过程中出现的交流损耗和传导漏热等情况,是超导磁体失超的根本原因;为了控制和保证励磁过程的稳定性、可靠性和安全性,开发和完善励磁的测控系统就显得格外重要;设计并开发了基于LabVIEW平台的超导磁共振主磁体励磁测控系统;系统数据通过在虚拟仪器平台上调用动态链接库文件(DLL),控制泰克公司KE2700系列集成式采集卡采集得到;传感器选择根据相应功能需要配置;操作台仪器控制、数据采集程序和人机界面由LabVIEW编写;搭配保护电路,保护超导线圈,降低失超损失;实现数据采集、参数控制、失超保护、匀场测试等功能。系统满足设计开发目的,平台搭建稳定可靠;功能相对完善,具体操作简易,交互界面友好,后期修改和功能扩展灵活;经工程实际运行测试验证,提高了研究和工作效率,达到设计要求,有实际应用价值。     

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1.3m.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...     

NMR永磁体精密温度控制器的设计与实现

低场核磁共振（low-field NMR）谱仪常采用钕铁硼（NdFeB）永磁体提供静磁场.NdFeB对温度非常敏感，磁体温度变化会引起磁场漂移，影响NMR实验的可靠性.为提高低场磁共振谱仪的稳定性，本文提出了一种基于双回路控制算法的磁共振永磁体精密温度控制方案，并在0.06 T磁共振谱仪上进行验证.结果表明：24 h内控温精度达到±0.005℃；相比无温控时，质子共振频率0.5 h内漂移量由255 Hz减小至15 Hz，24 h内漂移量由4 950 Hz减小至145 Hz，有效提高了低场磁共振谱仪永磁体的稳定性.     

14T全身超导MRI磁体的技术挑战——大规模应用强场超导磁体未来十年的发展目标之一

本文首先综述了大规模应用的超导磁体,依赖并推动铌三锡Nb3Sn导线技术进步,向更强磁场发展的趋势.着重分析了超高场14 T全身MRI磁体的挑战性技术.选择青铜Nb3Sn导线,采用Nb3Sn线圈和NbTi线圈相结合的混合结构,对14 T全身MRI磁体进行了电磁概念设计和热稳定性及失超保护仿真分析,并简要阐述了14 T全身MRI磁体在应力、接头和匀场方面的关键问题.根据分析结果认为:1)Nb3Sn导线是14 T全身MRI磁体需要面临的首要挑战性问题—作为最佳选择的青铜Nb3Sn导线,其现有产品的性能指标离14 T全身MRI磁体的要求尚存在有一定的差距;2)14 T全身MRI磁体的失超保护涉及线圈的铜超比设计、运行电流同线圈电感的协调配置、被动保护的分段策略和主动保护的失超触发控制以及主动屏蔽结构磁体在失超过程中的逸散磁场限制等多个十分复杂的环节,是最具挑战性的综合性技术.     

永磁体辅助下单畴GdBCO超导体和永磁体之间的磁悬浮力研究

通过对永磁体辅助下单畴GdBCO超导体和圆柱形永磁体在液氮温度、零场冷、轴对称情况下磁悬浮力的测量,研究了两种不同组态下辅助永磁体对超导体磁悬浮力特性的影响.实验结果表明,当长方体辅助永磁体水平磁化、且磁极N指向超导体时,超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体的29.8 N增加到61.5 N,增加为没有引入辅助永磁体时的206%.当长方体辅助永磁体的N极与圆柱形永磁体的N极反平行时,超导体的最大磁悬浮力从没有引入辅助永磁体的29.8 N减小到19.6 N,减小为无辅助永磁体时的65.8%.这些研究结果说明,通过科学合理地设计超导体和永磁体的组合方式,能有效地提高超导体的磁悬浮力.该研究结果对促进超导体的应用具有重要的指导意义. 关键词： 单畴GdBCO 永磁体 磁悬浮力     

垂向磁场变化量对高温超导块材悬浮力特性的影响

高温超导体因其无源自稳定的特性,受到许多学者的重视,具有广阔的应用前景.目前针对高温超导块材悬浮性能的研究主要集中于由永磁体产生的低磁场环境.本文基于超导磁体平台提供的强磁场环境,通过改变高温超导块材不同的场冷高度,实验研究了高温超导块材悬浮力与垂向磁场变化量的关系.研究结果表明随着垂向磁场变化量的增加,高温超导块材的悬浮力增长趋缓,并最终出现悬浮力饱和的现象.本文还对比了YBCO 和Gd-BCO 两种不同材料超导块材的悬浮性能,结果发现GdBCO 的悬浮力在强磁场环境中表现出更大的潜力.这为高温超导磁浮在强磁场中的应用奠定了基础,通过更加合理地调节磁场的分布,可以更好地发挥高温超导块材的悬浮性能潜力     

Measurement of the magnetic-field parameters of the NICA Booster dipole magnet

Serial assembly and tests of dipole and quadrupole magnets of the NICA Booster have started at the Laboratory of High Energy Physics of the Joint Institute for Nuclear Research (JINR). The accelerator is fitted with Nuclotron-type magnets with a superconducting winding and an iron yoke for shaping the needed magnetic field. The design of magnets for NICA was optimized (based on the experience gained in constructing and operating the JINR Nuclotron) for the production of magnetic fields of the required configuration in terms of the beam dynamics in the accelerator and the collider. Measurements of parameters of the field of each magnet are expected to be performed in the process of assembly and testing of each module of the magnet-cryostat system of the NICA Booster and Collider. The results of magnetic measurements for the NICA Booster dipole magnet are presented.     

用于ECR离子源的超导磁体——设计与制造

Superconducting magnets are widely used in ECR ion sources.The intensity and form of the magnetic field plays an important role in the way towards higher performance sources.During the development steps,the design principles and geometries had to be adapted to reach higher fields using state-of-the-art technologies and design tools.Production,assembly,and tests of these superconducting magnets are presented and a short outlook on possible future developments is given.     

内/外部励磁方式下高温超导环的俘获场特性

高温超导磁体在闭环运行时,可以提供稳定磁场,但是由于高温超导带材无法实现无阻焊接,成为高温超导磁体闭环运行的技术瓶颈.本文利用第二代高温超导带材制备闭环超导环,采用内部励磁和外部励磁对超导环进行励磁,在液氮温度中(77 K)测量超导环的中心俘获磁场.结果表明超导环在内部励磁俘获的磁场值比外部励磁俘获的磁场值高;外部励磁中,超导环中插入铁芯柱能提高俘获场;内部励磁中,超导环在螺线管闭环运行俘获的磁场值比开环运行俘获的磁场值高.结果对于高温超导闭环磁体励磁和高温超导带材磁通动力学研究具有很重要参考价值.     

一种实验用交流超导磁体的研制

该文介绍了用于探测线圈法测量超导材料交流损耗的一种交流超导磁体的设计、加工与绕制。超导磁体设计采用成熟的螺线管磁体技术,磁体骨架为低温环氧树脂加工而成,所用超导线为NbTi/Cu复合超导绞线。为了满足磁体的稳定性,每两层超导线间留出了一条冷却通道。所绕磁体的磁场强度和均匀度都满足设计要求。     

基于线性规划的高温超导磁体线圈设计方法

电子真空回旋器件是一种对磁场精度要求较高的微波源装置, 一般采用超导磁体提供磁场环境. 超导磁体的应用中, 磁场分布的实现是超导磁体设计的核心问题. 提供回旋器件磁场的高温超导磁体包含较复杂的磁体绕组, 为了解决此类设计计算问题, 本文提出了一种包含设计区域约束的线性优化方法进行回旋器件高温超导绕组的设计优化, 通过分步的约束和线性优化计算, 可得到同时满足设计要求和绕组可实现的设计磁场电流分布设计. 计算实例的结果给出了一个提供磁场强度1 .3 Tesla, 长度285 mm 的均匀磁场区域, 同时满足多位置的磁场要求, 设计结果与要求一致度较好, 精度满足应用需求. 该计算方法是一种可适用于较复杂磁场要求和超导绕组结构的设计优化方法.     

A design of novel type superconducting magnet for super—high field functional magnetic resonance imaging by using the harmonic analysis method of magnetic vector potentials

The approach of expanding the magnetic scalar potential in a series of Legendre polynomials is suitable for designing a conventional superconducting magnetic resonance imaging magnet of distributed solenoidal configuration. Whereas the approach of expanding the magnetic vector potential in associated Legendre harmonics is suitable for designing a single-solenoid magnet that has multiple tiers, in which each tier may have multiple layers with different winding lengths. A set of three equations to suppress some of the lowest higher-order harmonics is found. As an example, a 4T single-solenoid magnetic resonance imaging magnet with 4×6 layers of superconducting wires is designed. The degree of homogeneity in the 0.5m diameter sphere volume is better than 5.8 ppm. The same degree of homogeneity is retained after optimal integralization of turns in each correction layer. The ratio B_m/B₀ in the single-solenoid magnet is 30% lower than that in the conventional six-solenoid magnet. This tolerates higher rated superconducting current in the coil. The Lorentz force of the coil in the single-solenoid system is also much lower than in the six-solenoid system. This novel type of magnet possesses significant advantage over conventional magnets, especially when used as a super-high field functional magnetic resonance imaging magnet.     

Field measurement for superconducting magnets of ADS injector Ⅰ

A superconducting magnet prototype for Accelerator Driven Sub-critical System Injection-Ⅰ had been designed and fabricated, and tested in a new made vertical Dewar in November 2012. Batch magnet production was processed after some major revision from the magnet prototype, they include: removing off the perm-alloy shield, extending the iron yoke, using thin superconducting wire, etc. The first one of the batch magnets was tested in the vertical Dewar at the Harbin Institute of Technologyin in September 2013. A field measurement was carried out at the same time by the measurement platform that was seated on the top of the vertical Dewar,the measurement results met the design requirements. This paper will present the field measurement system design, measurement results and discussion on the residual field from the persistent current effect.