MICE超導(dǎo)耦合磁體失超過程與失超保護(hù)研究.pdf

1、國際離子化冷卻μ介子實(shí)驗(yàn)（Muon Ionization Cooling Experiment，簡稱MICE）是驗(yàn)證中微子工廠和μ介子對(duì)撞機(jī)可行性的關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研性工作之一。作為MICE實(shí)驗(yàn)裝置中的重要組件之一的超導(dǎo)耦合螺線管磁體將提供約2.6T的中心磁場，以控制位于其內(nèi)部的射頻腔內(nèi)的μ介子束流。超導(dǎo)磁體的失超會(huì)導(dǎo)致磁體線圈內(nèi)部的過熱和過電壓，從而可能對(duì)磁體造成永久性損害，失超過程的研究及失超保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是超導(dǎo)磁體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容之一。以

2、商用銅基鈮鈦超導(dǎo)線繞制、環(huán)氧樹脂浸漬的耦合磁體擬采用線圈分段并結(jié)合骨架誘發(fā)失超效應(yīng)（quench-back）的被動(dòng)失超保護(hù)方式。本文以MICE超導(dǎo)耦合螺線管磁體為研究對(duì)象，建立了失超過程的數(shù)值模擬模型，深入地研究了失超過程中主要參數(shù)的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)了合理可行的失超保護(hù)系統(tǒng)。本文的研究結(jié)果對(duì)耦合磁體及類似螺線管磁體的失超保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要的理論指導(dǎo)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。主要研究內(nèi)容包括：
　　為了設(shè)計(jì)合理的耦合磁體失超保護(hù)電路，對(duì)耦

3、合磁體的失超過程進(jìn)行了半經(jīng)驗(yàn)數(shù)值模擬研究。在經(jīng)典的基于失超傳播速度的失超模擬方法中考慮了骨架的誘發(fā)失超效應(yīng)，為耦合磁體失超過程的模擬建立了一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)數(shù)值模型。采用已成功運(yùn)行的一個(gè)實(shí)驗(yàn)超導(dǎo)磁體的失超過程實(shí)驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)與模型計(jì)算結(jié)果比較，驗(yàn)證了模型的正確性。用該模型研究了磁體分段數(shù)目、保護(hù)電阻值和綁扎帶材料對(duì)于耦合磁體失超過程的影響，為耦合磁體設(shè)計(jì)了合理的失超保護(hù)電路。
　　為了深入理解耦合磁體的失超過程和骨架內(nèi)的渦流及其引起的誘發(fā)失超

4、效應(yīng)，對(duì)耦合磁體的失超過程進(jìn)行了進(jìn)一步的有限元模擬研究。基于ANSYS耦合場分析功能，考慮了骨架的誘發(fā)失超效應(yīng)，建立了失超過程瞬態(tài)耦合熱電磁有限元模型。應(yīng)用該模型計(jì)算了耦合磁體失超過程，比較了有限元模型與半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠?jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了該有限元模型的正確性。利用該模型進(jìn)一步分析了失超過程中骨架的誘發(fā)失超效應(yīng)，并指出了有限元模型與半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬?yōu)缺點(diǎn)。
　　已公開的失超模擬方法對(duì)于磁體內(nèi)部的過熱計(jì)算比較準(zhǔn)確，對(duì)于過電壓計(jì)算非常保守，為此本

5、文提出了分段螺線管磁體失超過程過電壓的一個(gè)較準(zhǔn)確計(jì)算方法。準(zhǔn)確的過電壓計(jì)算需要分析磁體內(nèi)部的電壓分布。將磁體看做是以匝為單元組成的電路，每匝同時(shí)具備電阻與電感屬性。失超過程中各匝的電感不變，電阻隨匝溫度而變。根據(jù)每匝的瞬態(tài)溫度和電流，可計(jì)算出磁體內(nèi)部沿導(dǎo)線方向的電阻電壓、電感電壓以及合電壓分布。提出了分段螺線管線圈失超過程中最大內(nèi)電壓、層間電壓及匝間電壓的較準(zhǔn)確的計(jì)算方法。用該方法研究了分段螺線管線圈內(nèi)部失超過程過電壓以及分段數(shù)目對(duì)磁體