Сверхпроводящий быстроциклирующий секступольный магнит коррекции резонансов

Сверхпроводящий секступольный магнит предназначен для создания быстроциклирующих магнитных полей, используемых в новых поколениях ускорительных комплексов заряженных частиц для коррекции резонансов. Особое внимание при разработке конструкции магнита уделено снижению динамических тепловых потерь в сверхпроводящей обмотке и других элементах магнита на переменных токах, повышению надежности конструкции, а также снижению расхода сверхпроводника. Обмоточный блок магнита наматывается сверхпроводящим кабелем, изготовленным из специально разработанного сверхпроводящего провода, в котором сверхпроводящие нити диаметром 3.5 мкм значительно тоньше обычных и дополнительно твистированы для уменьшения гистерезисных и вихревых потерь в обмотке. Стеклотекстолитовые проставки между полюсами заменены ферромагнитными, которые увеличивают магнитное поле в апертуре магнита и уменьшают тепловые потери в обмотке на переменном токе. Магнитный экран, разделенный на две части и фиксированный с помощью скоб, одновременно является бандажом, что позволяет максимально приблизить магнитопровод к обмотке и упростить конструкцию магнита. Необходимое предварительное напряжение в обмотке достигается после сварки стальной обечайки и захолаживания магнита до гелиевых температур.

Настоящая полезная модель относится к области ускорительной техники, а именно к конструкциям корректирующих сверхпроводящих магнитов, создающих быстропеременные магнитные поля в треугольных повторяющихся циклах и предназначенных для коррекции резонансов, возникающих при ускорении пучка заряженных частиц. Такие секступольные магниты могут быть использованы в новом поколении быстроциклирующих ускорительных комплексов заряженных частиц, а также в медицинских ускорителях.

Известны сверхпроводящие корректирующие секступольные магниты, работающие в медленноменяющихся магнитных полях, например секступольные магниты Большого адронного коллайдера ["Superconducting Sextupole Corrector Magnet for the LHC Main Dipoles", LHC Project Report 27, 1996.]. Эти магниты состоят из обмоточного блока и магнитопровода, который увеличивает поле в апертуре магнита и экранирует внешнее пространство от магнитных полей. Обмоточный блок выполнен в форме седловидной обмотки, расположенной на цилиндрической поверхности и намотан кабелем трапециевидного сечения. Кабель (витки) изготавливается из сверхпроводящих проволок, транспонированных в продольном направлении для уменьшения потерь в обмотке.

Недостатками таких магнитов является то, что они предназначены для работы в медленно изменяющихся магнитных полях со временем нарастания магнитного поля в несколько десятков секунд. Данные магниты не могут работать в быстроциклирующих магнитных полях с уменьшением времени изменения магнитного поля до нескольких секунд. Указанный недостаток обусловлен тем, что при повышении скорости изменения магнитного поля резко увеличиваются тепловыделения, генерируемые в обмоточном блоке, бандаже и магнитопроводе и магниты переходят в нормальное состояние. Надо отметить, что секступольный магнит для LHC работает при температуре 1.9 К, при которой эксплуатационные расходы завышены.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка конструкции магнита с большой апертурой, позволяющая резко уменьшить тепловые потери в сверхпроводящей обмотке и других элементах магнита на переменных токах и обеспечить надежность конструкции магнита, что позволяет использовать эти магниты в быстроциклирующих магнитных полях со временем нарастания поля меньше одной секунды.

Техническим результатом настоящей полезной модели является достижение силы магнита 325 Тл/м² в большой апертуре с диаметром 125 мм при времени нарастания магнитного поля 0.5 сек в повторяющихся треугольных циклах.

Технический результат полезной модели обеспечивается за счет:

1. разработки нового токонесущего элемента, позволяющего снизить тепловыделения в обмотке;

2. введения ферромагнитных вставок между полюсов магнита, которые на порядок увеличивают скорость изменения магнитного поля в апертуре магнита, снижают расход сверхпроводника и уменьшают тепловыделения в обмотке;

3. изготовления магнитного экрана из тонких ламинированных пластин специальной электротехнической стали марки 2212 толщиной 0.5 мм с целью снижения гистерезисных и вихревых тепловыделений в магнитопроводе; магнитопровод также выполняет и функцию бандажа, что позволяет максимально приблизить экран к обмотке, уменьшить расход сверхпроводника, массу магнита и его габариты.

Сущность полезной модели поясняется чертежом. На фиг.1 изображено поперечное сечение секступольного корректирующего магнита коррекции резонансов. Магнит состоит из 4-х слойной обмотки - 7; ферромагнитных вставок - 1; магнитного экрана - 8, разделенного на две части; стягивающих скоб - 6 и стальной наружной оболочки - 4. Для фиксации магнитопровода в процессе сборки в медианной плоскости имеются стержни - 5. Магнитопровод в продольном направлении стягивается с помощью изолированных стержней - 3, помещаемых в трубы - 2. Изолированные стержни необходимы для уменьшения контура паразитных вихревых токов, возникающих в магнитопроводе при вводе тока.

Обмоточный блок (7) на специальном приспособлении наматывается сверхпроводящим кабелем прямоугольного сечения, изготовленным из сверхпроводящего провода, состоящего из сверхпроводящих волокон диаметром 3-4 мкм (диаметр обычных волокон сверхпроводящего провода 6-10 мкм) и дополнительно твистированых с шагом твиста 4 мм, разработанных специально для работы в быстроциклирующих магнитных полях. Витки обмоточного блока укладываются в поперечном сечении вдоль дуг окружности с угловыми размерами, позволяющими создать высокое качество поля в апертуре. Между полюсами обмоточных блоков вставляются ферромагнитные прокладки из электротехнической стали 2212 (1). Магнитопровод (8), выполненный из ламинированных пластин стали 2212 и состоящий из верхней и нижней половин, накладывается на обмоточный блок и фиксируется стягивающими скобами (6). В медианной плоскости магнитопровод юстируется с помощью стержней (5). В продольном направлении магнитопровод стягивается изолированными шпильками и гайками (3), вставленными в специальную трубу (2). Обмотка с магнитопроводом заключается в стальную наружную оболочку (4). Вся конструкция помещается под пресс для создания необходимого смыкания верхней и нижней частей магнитопровода. Под прессом наружная оболочка сваривается, при этом в обмоточном блоке создаются механические напряжения, не позволяющие обмоточному блоку расслабиться в процессе захолаживания магнита и его эксплуатации.

Сверхпроводящий секступольный магнит работает следующим образом: при вводе тока в магнит при криогенных температурах создается магнитное поле, в результате которого возникают пондеромоторные силы, которые стремятся расширить обмоточный блок в радиальном направлении и сжать его в азимутальном направлении. Магнитопровод, заключенный в наружную оболочку, сдерживает движение обмотки в радиальном направлении, а предварительные механические напряжения, созданные в обмоточном блоке при сборке, не позволяют обмотке двигаться в азимутальном направлении. При вводе тока в каждом элементе магнита возникают паразитные вихревые токи, вызывающие их нагрев. Кроме того, в обмотке и магнитопроводе появляются и гистерезисные потери, конвертируемые в тепло. Специально выбранный токонесущий элемент обмоточного блока, а также материал электротехнической стали магнитопровода позволяют снизить тепловыделения в магните до приемлемой величины 1.8 Дж в треугольном цикле со временем нарастания поля 0.5 сек.

Сравнение основных параметров наиболее близкого по конструкции секступольного магнита (ЦЕРН) с предлагаемой полезной моделью (ИФВЭ) представлено в следующей таблице:

Предлагаемая полезная модель рассчитана на криогенную температуру 4.6 К, при которой эксплуатационные расходы гораздо ниже. Вторая особенность полезной модели - при увеличении диаметра апертуры обмотки и области хорошего поля значительно легче добиться высокого качества поля в полезной области секступоля.

Сверхпроводящий быстроциклирующий секступольный магнит коррекции резонансов, отличающийся тем, что в полюсах магнита используются ферромагнитные вставки, магнитопровод выполняет также и функцию бандажа, а токонесущий элемент состоит из сверхпроводящего кабеля прямоугольного сечения, сформированного из твистированных сверхпроводящих проводов, в которых дополнительно твистированы сверхпроводящие волокна диаметром 3-4 мкм.