MICE超导磁体励磁卸载过程中的热分析

论文摘要

MICE( Muon Ionization Cooling Experiment)是世界上首次以实验证明离子化冷却μ介子的科学研究装置,实验结果对于未来μ介子加速器装置的成功运行至关重要。超导耦合磁体系统是构成MICE实验装置的关键设备之一,该磁体在超导线圈尺寸、自感至电磁储能方面为MICE装置中研制难度最大的,其采用二级脉冲管制冷机间接冷却,相比传统液氦浸泡冷却结构简单,操作方便,但同时也对磁体的稳定运行提出了更高要求。本文初步分析了哈工大低温与超导技术研究所承担的MICE超导耦合磁体系统项目中研制的三套超导磁体的交流损耗及其对磁体稳定性的影响,研究结果为MICE超导耦合磁体励磁和卸载方式选择,冷却系统设计及稳定运行提供了一定理论依据。本文首先讨论了磁体所用NbTi超导线的临界特性,应用磁体励磁和卸载过程的等效电路对各种励磁和卸载方式进行了分析,针对三套超导磁体优化了磁体励磁和卸载过程,分别得到了时间最短的励磁和卸载方式。通过对超导线圈交流损耗计算方法的分析,讨论了穿透场强对磁滞损耗的影响,同时分析了磁滞损耗、耦合损耗和传输效应对磁体交流损耗的影响。应用数值模拟方法,得到磁体骨架在磁体不同电流变化速率下的涡流损耗大小和分布,通过与以往的工程估算结果比较,验证了模拟结果的可靠性。应用大型有限元软件对选定的磁体励磁和卸载方式进行温度场的动态模拟,同时得到线圈交流损耗的变化特性。通过对磁体最小温度裕度的分析,对不同磁体励磁和卸载过程中失超的可能性做出判断。为MICE超导耦合磁体和试样磁体的励磁/卸载方式选择,冷却系统设计、测试及稳定运行提供理论依据。本文最后给出交流损耗实验测量的电测法和量热法实验方案设计,并对两种方法的优缺点和实际测量系统应该注意的问题进行了对比总结。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 MICE 实验装置
• 1.1.2 MICE 超导耦合磁体
• 1.2 交流损耗研究现状
• 1.2.1 交流损耗理论计算
• 1.2.2 交流损耗实验测量
• 1.3 课题研究意义
• 1.4 课题研究内容
• 第2章 磁体励磁和卸载电路分析
• 2.1 铌钛超导线在不同温度下的电流密度
• 2.1.1 铌钛超导线临界电流密度与温度的一般关系
• 2.1.2 所用NbTi 超导线的临界特性
• 2.2 磁体最大运行电流的确定
• 2.3 磁体励磁和卸载电流变化特性
• 2.3.1 励磁和卸载方式设计的理论依据
• 2.3.2 励磁电流设计
• 2.3.3 卸载电流设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 交流损耗理论基础
• 3.1 超导线圈的交流损耗计算
• 3.1.1 磁滞损耗
• 3.1.2 耦合损耗
• 3.1.3 传输效应
• 3.2 骨架的涡流损耗计算
• 3.2.1 涡流损耗的数学模型及边界条件
• 3.2.2 骨架涡流损耗的数值结果
• 3.2.3 涡流损耗的简化理论计算
• 3.3 本章小结
• 第4章 交流损耗的数值模拟与磁体热稳定性分析
• 4.1 数值模拟的数学模型及边界条件
• 4.1.1 研究对象的物理模型
• 4.1.2 数学模型
• 4.1.3 边界条件
• 4.2 磁体励磁过程的动态特性
• 4.2.1 超导耦合磁体励磁过程的模拟与分析
• 4.2.2 模型磁体励磁过程的模拟与分析
• 4.2.3 小试样磁体励磁过程的模拟与分析
• 4.2.4 磁体励磁过程动态变化特性总结
• 4.3 磁体卸载过程的动态特性
• 4.3.1 超导耦合磁体卸载过程的模拟与分析
• 4.3.2 模型磁体卸载过程的模拟与分析
• 4.3.3 小试样磁体卸载过程的模拟与分析
• 4.3.4 磁体卸载过程动态变化特性总结
• 4.4 本章小结
• 第5章 交流损耗测量方案设计
• 5.1 交流损耗的电测法
• 5.1.1 基本原理
• 5.1.2 测量电路设计
• 5.1.3 实际测量电路的问题
• 5.2 交流损耗的量热法
• 5.2.1 量热法的理论依据
• 5.2.2 实际量热法测量的问题
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢