EBIT装置低温超导磁体系统的研制

• 作 者: 张敏
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 超导磁体 磁场均匀度 低温系统 热负荷计算 电子束离子阱装置

上海复旦大学EBIT(Electron Beam Ion Trap,电子束离子阱)装置主要应用于离子束物理实验。EBIT装置包括:电子枪、漂移管、低温超导磁体、电子收集器、电源和控制系统等,其中低温超导磁体系统是整个EBIT装置的核心单元之一,其采用一对上下布置的分离线圈产生磁场约束离子,设计要求磁体中心磁场强度达到4.5T,在中心轴线上±10mm内磁场均匀度优于2×10-4,杜瓦漏热要求小于所选制冷机的制冷能力,保证超导磁体工作在4.5k的温度下磁场强度达到要求。　　
本文首先依据低温超导磁体的设计要求对其进行了总体设计。利用电磁原理分析了超导线圈的磁场、电磁力、电感等性能;同时对磁体参数进行了优化,给出了磁体的主要设计参数,包括磁体的内径、外径、高度等;详细的介绍了磁体的研制过程以及失超保护系统。　　
其次,杜瓦设计是低温超导磁体的一个重要部分,本文利用薄壳理论对杜瓦的外壳尺寸进行了理论计算,得出了杜瓦的壁厚尺寸为5mm;稳定工况下,杜瓦内部结构的温度远低于室温,巨大的温差将引起杜瓦结构的漏热损失,主要的漏热包括:支撑结构的传导热、壁面的辐射换热以及超导电流引线的传导热,本文利用传热学相关理论公式对漏热进行了计算,得出主要热负荷数据,漏热总计81.45W。　　
同时,本文介绍了高温超导电流引线的设计,对高温超导带材Bi-2223的电磁特性进行了说明,并讨论了高温超导电流引线漏热的分段计算方法;利用有限元软件对超导磁体的性能进行了分析,计算出该超导磁体的磁场分布和其主要承力部件—骨架的受力状况;并对磁体的均匀度进行了计算。　　
最后,介绍了超导磁体的性能测试,超导磁体中心磁场强度达到4.5T,在±10mm范围内磁场均匀度优于2×10-4;并且在55A工作电流下,能够稳定的闭环运行40min,表明所研制的EBIT低温超导磁体达到了设计的要求。