用于探測器中的超導

螺旋管的設計培養單位：近代物理研究所導師：馬力禎報告人：陳玉泉1可編輯版用于探測器中的超導

螺旋管的設計1可編輯版

粒子加速器中對撞點上安裝的大體積、高精度的探測器多采用螺線管形式的磁體。近年來，隨著加速器能量的不斷提高，對磁場強度的要求也越來越高，常規螺線管已不能滿足要求。超導螺線管由于其無阻載流能力，優勢突出，常用于高能加速器中。

正在運行的LHC中的CMS探測器的超導螺線管，磁場強度達到4T，線圈直徑6米，長12.5米。近物所自主研制的5T有源屏蔽超導磁體也已經通過測試。

2可編輯版粒子加速器中對撞點上安裝的大體積、高精度的探測器多

一、超導螺線管的設計

通常已知的參數只有對磁場的要求、尺寸的限制、超導線的臨界值，設計的目的就是根據磁場分布求出符合這一場分布的邊界條件和場源分布并且在工程上能經濟地實現。整個超導螺線管由三部分構成：主線圈、鐵軛、端部墊補線圈。

3可編輯版一、超導螺線管的設計3可編輯版主線圈是產生磁場的主要部分，它的參數確定很關鍵。首先設定主場區域內均勻度和電流裕度，建造數學模型，通過求解約束條件為中心磁場，運行電流和磁場均勻度下的目標函數，得到最接近目標函數和約束條件的各參數值，得到螺線管的徑向層數，軸向匝數和電流密度。然后利用專業的磁場有限元計算軟件Oprea對主線圈結果進行驗證。線圈通常由截面為圓形或矩形的超導線繞制而成，超導線一般采用NbTi或Nb3Sn，實際應用中常在超導線上敷銅，稱為復合超導線。4可編輯版4可編輯版鐵軛

鐵軛的作用有三：屏蔽露場，提高激磁效率，這樣可以減少線圈的用線量；儲存磁場的部分能量。超導螺線管一般采用冷鐵軛結構，將鐵軛連同超導線圈一起浸泡在低溫容器中，這樣做的好處是結構緊湊，體積小，激磁效率高，能很大程度節省超導線。鐵扼的結構由四個參數決定：筒壁內半徑筒壁高度筒壁厚度兩端端板厚度5可編輯版鐵軛5可編輯版鐵軛的參數的確定可以用正交試驗方法。為了找到均勻度更好的組合可以進行多次正交試驗設計，每次試驗均在上一次正交試驗得到的優化點附近取一定的范圍進行，然后得到一組最優點。實際情況中，還要考慮線圈的冷卻空間和鐵軛不飽和的情況下鐵軛材料的重量。端部線圈的合理設計可以在中心區域內達到很高的均勻度。6可編輯版鐵軛的參數的確定可以用正交試驗方法。為了找

另外通過對超導螺線管磁體進行受力分析和磁體熱載荷分析以確保運行穩定。超導螺線管所需要的低溫結構，一般采用液氦浸泡，并在液氦槽與真空筒之間設置液氮冷屏，可以有效減少外部熱量向內部的傳遞。7可編輯版7可編輯版二、超導螺線管的裝配根據計算分析得到的線圈的參數進行線圈繞制。

另外還要考慮超導線的匝間、層間和磁體的對地絕緣。8可編輯版二、超導螺線管的裝配根據計算分析得到的線圈

支撐筒和鐵軛：直接利用液氦槽的內筒作為線圈的支撐筒進行本體繞制，即簡化結構，又節約設計空間。在線圈兩頭設計兩個側擋環，用于在軸向方向固定線圈。9可編輯版9可編輯版10可編輯版10可編輯版11可編輯版11可編輯版12可編輯版12可編輯版13可編輯版13可編輯版三、存在問題和解決方案超導螺線管在運行過程中的穩定性是十分重要的參數，有些因素可能導致其失超。磁體在運行中會遇到兩種主要的擾動，連續擾動和瞬變擾動。連續擾動主要是由輸入到線圈的穩態功率所產生，如兩根超導線間的接頭電阻、電流引線的熱導和焦耳熱、低溫器的漏熱等產生，可以采取相應措施避免其對磁體造成嚴重的影響。瞬變擾動主要來自磁通跳躍和機械擾動，嚴重時會使超導磁體失超。14可編輯版三、存在問題和解決方案超導螺線管在運行解決辦法，對于磁通跳躍，可以將超導體做成小于一定尺寸的細絲來消除它引起擾動；對于機械擾動可以采用先進的繞制技術和工藝來減小，如在繞制磁體過程中對超導線施加適當預緊力，在匝間和層間填充適當材料，如環氧樹脂、石蠟等。

15可編輯版解決辦法，對于磁通跳躍，可以將超導體做成小于四、發展前景在高能加速器中應用中超導螺線管以其優于常規螺線管的優點正占據主導地位，并且超導螺線管會向著更強磁場強度、高均勻度的方向發展，目前設計的磁場強度可達到20T，均勻度達到+/-0.01%。在低溫器方面，制冷機冷卻的優勢突出，牛津