Конструкция высокополевого быстроциклирующего сверхпроводящего дипольного магнита

Разработана оптимальная конструкция 2-слойного дипольного магнита и изготовлена короткая 1-м модель сверхпроводящего дипольного магнита с пониженными тепловыделениями и высоким качеством поля, работающего в режиме переменных магнитных полей со скоростью изменения магнитного поля до 1 Тл/сек и амплитудой поля до 6.0 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 диполя: апертура обмотки - 100 мм; область хорошего поля - 80 мм; независимое подавление нелинейностей поля и интеграла поля; минимизация поля на лобовых частях до соответствующего уровня центрального сечения; 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 дипольные магниты, используемые в работающих ускорительных комплексах, имеют ограничения по скорости изменения магнитного поля, начиная с величин от 0.1 Тл/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 разрабатываемом проекте ускорителя GSI (Дармштадт, ФРГ) планируется использовать отклоняющие сверхпроводящие диполи, создающие переменные магнитные поля со скоростями 1 Тл/сек и амплитудой до 6 Тл. Диполи с подобными параметрами понадобятся также и при модернизации ускорительного комплекса LHC, ЦЕРН. Известны конструкции сверхпроводящего дипольного магнита, изготовленного в БНЛ, США. Его основные параметры: амплитуда поля 4 Тл, скорость изменения поля 4 Тл/сек, апертура обмотки 80 мм, длина обмоточного блока 1 м [Р.Wanderer et all. "Initial Test of Fast-Ramped Superconducting Model Dipole for GSI's Proposed SIS-200 Accelerator", - Proc. of 2003 Particle Accelerator Conf, PAC-2003, May 2003, USA].]. Эта конструкция имеет небольшую апертуру, относительно низкую амплитуду поля и не обеспечивает высокой скорости изменения поля.

В ИФВЭ разработана оптимальная конструкция 2-слойного дипольного магнита и изготовлена короткая 1-м модель сверхпроводящего дипольного магнита с пониженными тепловыделениями и высоким качеством поля, работающего в режиме переменных магнитных полей со скоростью изменения магнитного поля до 1 Тл/сек и амплитудой поля до 6.0 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 диполя: апертура обмотки -100 мм; область хорошего поля - 80 мм; независимое подавление нелинейностей поля и интеграла поля; минимизация поля на лобовых частях до соответствующего уровня центрального сечения; максимальная эффективная длина; температурный запас около 1 К. В декабре 2008 г. короткая модель была успешно испытана. Рабочее поле 6 Тл достигнуто при третьем вводе тока, максимальное центральное поле 6.8 Тл достигнуто после 18 переходов в нормальное состояние при максимальной скорости изменения магнитного поля 1.2 Тл/сек. Полное описание конструкции изложено в "S.Kozub, I.Bogdanov, V.Pokrovsky, A.Seletsky, P.Shcherbakov, L.Shirshov, V.Smimov, V.Sytnik, L.Tkachenko, V.Zubko, E.Floch, G.Moritz and H.Mueller. "SIS 300 Dipole Model". MT21, Hefei, China, October, 2009.". Поперечное сечение диполя показано на рис.1, где: 1 - обечайка; 2 - обмотка; 3 -бандаж; 4 - магнитопровод; 5 - отверстия для двухфазного гелия. Общий вид лобовых частей представлен на рис.2.

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, диаметр сверхпроводящей 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 1.8, что обеспечивает стабильность работы магнита, аврийную 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 36 проволок, расположенных в два ряда. Шаг транспонирования проволок равен 100 мм. Сверхпроводящие проволоки в кабеле расположены в два ряда, разделенные проставкой, сделанной из нержавеющей стали марки 316L толщиной 25 мкм и шириной 13 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 М700-100. Воротники сделаны из специальной нержавеющей аустенитостабильной стали марки Nitronic 40. Остальные элементы конструкции, обладающие слабомагнитные свойствами, также были 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 48 мм; длина шпонок, связывающих верхние и нижние блоки воротников, также не превышает 48 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 дипольный 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 М700-100, а воротники бандажа - из нержавеющей аустенитостабильной стали марки Nitronic 40.