MICE超導耦合磁體失超過程與失超保護研究.pdf

1、國際離子化冷卻μ介子實驗（Muon Ionization Cooling Experiment，簡稱MICE）是驗證中微子工廠和μ介子對撞機可行性的關鍵技術預研性工作之一。作為MICE實驗裝置中的重要組件之一的超導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。超導磁體的失超會導致磁體線圈內(nèi)部的過熱和過電壓，從而可能對磁體造成永久性損害，失超過程的研究及失超保護系統(tǒng)的設計是超導磁體設計的關鍵內(nèi)容之一。以

2、商用銅基鈮鈦超導線繞制、環(huán)氧樹脂浸漬的耦合磁體擬采用線圈分段并結合骨架誘發(fā)失超效應（quench-back）的被動失超保護方式。本文以MICE超導耦合螺線管磁體為研究對象，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，設計了合理可行的失超保護系統(tǒng)。本文的研究結果對耦合磁體及類似螺線管磁體的失超保護系統(tǒng)設計具有重要的理論指導意義和實際應用價值。主要研究內(nèi)容包括：
　　為了設計合理的耦合磁體失超保護電路，對耦

3、合磁體的失超過程進行了半經(jīng)驗數(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，為耦合磁體失超過程的模擬建立了一個半經(jīng)驗數(shù)值模型。采用已成功運行的一個實驗超導磁體的失超過程實驗結果，經(jīng)與模型計算結果比較，驗證了模型的正確性。用該模型研究了磁體分段數(shù)目、保護電阻值和綁扎帶材料對于耦合磁體失超過程的影響，為耦合磁體設計了合理的失超保護電路。
　　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，對耦合磁體的失超過程進行了進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，建立了失超過程瞬態(tài)耦合熱電磁有限元模型。應用該模型計算了耦合磁體失超過程，比較了有限元模型與半經(jīng)驗模型的計算結果，驗證了該有限元模型的正確性。利用該模型進一步分析了失超過程中骨架的誘發(fā)失超效應，并指出了有限元模型與半經(jīng)驗模型的優(yōu)缺點。
　　已公開的失超模擬方法對于磁體內(nèi)部的過熱計算比較準確，對于過電壓計算非常保守，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較準確計算方法。準確的過電壓計算需要分析磁體內(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，可計算出磁體內(nèi)部沿導線方向的電阻電壓、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確的計算方法。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)目對磁體