Конструкция высокополевого быстроциклирующего сверхпроводящего квадрупольного магнита

Разработана оптимальная конструкция 1-слойного квадрупольного магнита с пониженными тепловыделениями и высоким качеством поля, работающего в режиме переменных магнитных полей со скоростью изменения магнитного поля до 10 Тл/м/сек и амплитудой градиента поля до 45 Тл. Основное назначение магнита - использование в ускорительных комплексах заряженных частиц и тяжелых ионов, в частности, в физических установках, работающих при быстром изменении магнитного поля. Основные параметры квадруполя: апертура обмотки - 125 мм; область хорошего поля - 105 мм; независимое подавление нелинейностей поля и интеграла поля; максимальная эффективная длина; температурный запас около 1 К.

Полезная модель предназначена для использования в качестве одного из основных элементов магнитной системы для ускорительных комплексов заряженных частиц и тяжелых ионов, включая медицинские ускорители.

В настоящее время сверхпроводящие квадрупольные магниты, используемые в работающих ускорительных комплексах, имеют ограничения по скорости изменения магнитного поля, начиная с величин от 2.5 Тл/м/с. Дальнейшее увеличение скорости изменения магнитного поля приводит к существенному увеличению тепловыделения в магнитных системах. Это является главным фактором нестабильности работы магнитов, разогрева обмотки, снижения температурного запаса, что, в конечном счете, уменьшает критический ток сверхпроводника, а также увеличивает эксплуатационные затраты. В настоящее время для ускорительных комплексов требуются быстроциклирующие сверхпроводящие магниты с увеличенной апертурой. В разрабатываемом проекте ускорителя GSI (Дармштадт, ФРГ) планируется использовать фокусирующие/дефокусирующие сверхпроводящие квадруполи, создающие переменные магнитные поля со скоростями 10 Тл/м/сек и градиентом центрального поля от 45 Тл/м и выше и апертурой по обмотке 125 мм. Квадруполи с подобными параметрами понадобятся также и при модернизации ускорительного комплекса LHC, ЦЕРН. Известны конструкции сверхпроводящего квадрупольного магнита с параметрами: амплитуда градиента поля 97 Тл/м, скорость изменения градиента поля 2.1 Тл/м/сек, апертура обмотки 80 мм, апертура хорошего поля 70 мм. [N.I.Andreev et al: "Development and Study of the Superconducting Quadrupole Magnet for the UNK", EPAC'94', London, June, 1994]. Эта конструкция имеет небольшую апертуру и не обеспечивает высокой скорости изменения градиента поля.

В ИФВЭ разработана оптимальная конструкция 1-слойного квадрупольного магнита с пониженными тепловыделениями и высоким качеством поля, работающего в режиме переменных магнитных полей со скоростью изменения магнитного поля до 10 Тл/м/сек и амплитудой градиента поля до 45 Тл. Основное назначение магнита - использование в ускорительных комплексах заряженных частиц и тяжелых ионов, в частности, в проекте FAIR, GSI, Дармштадт, в дальнейшем модернизации ускорителя LHC, в физических установках, работающих при быстром изменении магнитного поля. Основные параметры квадруполя: апертура обмотки - 125 мм; область хорошего поля - 105 мм; независимое подавление нелинейностей поля и интеграла поля; максимальная эффективная длина; температурный запас около 1 К. Необходимо отметить, что этот квадрупольный магнит имеет достаточно большую апертуру, что усложняет его конструкцию. Полное описание конструкции изложено в "L.Tkachenko, I.Bogdanov, S.Kozub, P.Shcherbakov, V.Sytnik, A.Tchikilev, V.Zubko. "Development of Quadrupole, Steering and Corrector Magnets for the SIS 300". МТ21, Hefei, China, October, 2009". Поперечное сечение квадруполя представлено на рис.1, где: 1 - обечайка; 2 - пучковая труба; 3 - обмотка; 4 - бандаж; 5 - магнитопровод. Общий вид лобовых частей и расположение витков на лобовых частях представлены на рис.2 и рис.3 соответственно.

Пониженные тепловыделения, увеличение амплитуды и скорости нарастания поля достигаются за счет:

- разработки нового сверхпроводящего NbTi провода; требования к нему были сформулированы в ГНЦ ИФВЭ: оптимальный диаметр провода 0.825 мм, обеспечивающий минимальные суммарные гистерезисные и матричные потери, диаметрсверхпроводящей нити 3.5 мкм с шагом скрутки сверхпроводящей нити 5 мм; оба последних параметра снижают гистерезисные потери; отношение ₃₀₀/₁₀ (RRR)70, что позволяет уменьшить матричные потери. Отношение медь/ сверхпроводник равно 1.38, что обеспечивает стабильность работы магнита, аварийную эвакуацию энергии при переходе магнита в нормальное состояние, но, при этом дает достаточно высокую инженерную плотность тока. Сверхпроводящие проволоки покрыты сплавом типа Stabrite, что дает возможность перетекания тока в соседних проволоках в кабеле, расположенных в одном ряду.

- разработки новой конструкции сверхпроводящего кабеля; предложение конструкции сформулированы в ИФВЭ. Сверхпроводящий кабель состоит из 19 проволок, расположенных в два ряда. Шаг транспонирования проволок равен 55 мм. Сверхпроводящие проволоки в кабеле расположены в два ряда, разделенные проставкой, сделанной из нержавеющей стали марки 316L толщиной 25 мкм и шириной 6 мм. Проставка уменьшает кабельные потери. Экспериментальным путем подобран специальный режим предварительной термообработки кабеля, при котором величина контактного поперечного сопротивления равна 20 мОм, а продольного сопротивления 0.02 мОм. Эти величины удовлетворяют компромиссным требованиям снижения кабельных потерь и сохранения стабильности работы диполя.

- выбора соответствующих материалов для изготовления магнита, имеющих пониженные тепловыделения в быстроциклирующих магнитных полях; в частности для магнитопровода на основе экспериментальных измерений, проведенных в ИФВЭ, выбрана электротехническая сталь марки 2212. Воротники будут сделаны из специальной нержавеющей аустенитостабильной стали марки Nitronic 40. Остальные элементы конструкции, обладающие слабомагнитные свойствами, также будут изготовлены из специальных электротехнических сталей типа 304, 316L и 316LN

- особенностей конструкции магнита, в которой уменьшены возможные величины паразитных вихревых токов, приводящих к тепловыделениям, в частности, бандаж обмотки поделен на блоки, толщина которых не превышает 44 мм; длина шпонок, связывающих верхние и нижние блоки воротников, также не превышает 44 мм; шпильки, стягивающие пластины ярма, имеют специальную изоляцию, которая предназначена для уменьшение площадей возможных контуров, пронизанных переменным магнитным полем. Оптимальные длины блоков и шпонок выбраны после цикла расчетов потерь от вихревых токов на основе компромисса минимизации потерь и сохранения простоты технологии изготовления.

1. Сверхпроводящий квадрупольный магнит с пониженными тепловыми потерями, создающий быстроциклирующие магнитные поля в апертуре большого диаметра, содержащий магнитопровод и заключенную в воротники бандажа сверхпроводящую обмотку из сверхпроводящего кабеля с двумя рядами сверхпроводящих проволок, отличающийся тем, что указанные два ряда сверхпроводящей проволоки разделены проставкой из нержавеющей стали.

2. Сверхпроводящий дипольный магнит по п.1, отличающийся тем, что магнитопровод выполнен из электротехнической стали марки 2212, а воротники бандажа - из нержавеющей аустенитостабильной стали марки Nitronic 40.