MICE超导耦合磁体失超过程与失超保护研究

摘要

国际离子化冷却μ介子实验（Muon Ionization Cooling Experiment，简称MICE）是验证中微子工厂和μ介子对撞机可行性的关键技术预研性工作之一。作为MICE实验装置中的重要组件之一的超导耦合螺线管磁体将提供约2.6T的中心磁场，以控制位于其内部的射频腔内的μ介子束流。超导磁体的失超会导致磁体线圈内部的过热和过电压，从而可能对磁体造成永久性损害，失超过程的研究及失超保护系统的设计是超导磁体设计的关键内容之一。以商用铜基铌钛超导线绕制、环氧树脂浸渍的耦合磁体拟采用线圈分段并结合骨架诱发失超效应（quench-back）的被动失超保护方式。本文以MICE超导耦合螺线管磁体为研究对象，建立了失超过程的数值模拟模型，深入地研究了失超过程中主要参数的变化规律，设计了合理可行的失超保护系统。本文的研究结果对耦合磁体及类似螺线管磁体的失超保护系统设计具有重要的理论指导意义和实际应用价值。主要研究内容包括：
　　为了设计合理的耦合磁体失超保护电路，对耦合磁体的失超过程进行了半经验数值模拟研究。在经典的基于失超传播速度的失超模拟方法中考虑了骨架的诱发失超效应，为耦合磁体失超过程的模拟建立了一个半经验数值模型。采用已成功运行的一个实验超导磁体的失超过程实验结果，经与模型计算结果比较，验证了模型的正确性。用该模型研究了磁体分段数目、保护电阻值和绑扎带材料对于耦合磁体失超过程的影响，为耦合磁体设计了合理的失超保护电路。
　　为了深入理解耦合磁体的失超过程和骨架内的涡流及其引起的诱发失超效应，对耦合磁体的失超过程进行了进一步的有限元模拟研究。基于ANSYS耦合场分析功能，考虑了骨架的诱发失超效应，建立了失超过程瞬态耦合热电磁有限元模型。应用该模型计算了耦合磁体失超过程，比较了有限元模型与半经验模型的计算结果，验证了该有限元模型的正确性。利用该模型进一步分析了失超过程中骨架的诱发失超效应，并指出了有限元模型与半经验模型的优缺点。
　　已公开的失超模拟方法对于磁体内部的过热计算比较准确，对于过电压计算非常保守，为此本文提出了分段螺线管磁体失超过程过电压的一个较准确计算方法。准确的过电压计算需要分析磁体内部的电压分布。将磁体看做是以匝为单元组成的电路，每匝同时具备电阻与电感属性。失超过程中各匝的电感不变，电阻随匝温度而变。根据每匝的瞬态温度和电流，可计算出磁体内部沿导线方向的电阻电压、电感电压以及合电压分布。提出了分段螺线管线圈失超过程中最大内电压、层间电压及匝间电压的较准确的计算方法。用该方法研究了分段螺线管线圈内部失超过程过电压以及分段数目对磁体内电压的影响。
　　冷二极管组件是MICE超导耦合磁体失超保护系统的关键组件，工作在温度4.2~4.8K，磁场1.5～2.5T环境下。耦合磁体的励磁、卸载以及失超保护电路的模拟、分析与设计均需要了解冷二极管组件的低温工作特性。搭建了一套二极管组件低温性能测试系统，测试了室温和液氮温度下二极管的正反向通电特性和二极管组件在大电流下的工作特性。利用耦合磁体的试样线圈的测控系统，测试了~10K温度下二极管的工作特性。

目录

MICE 超导耦合磁体失超过程与失超保护研究

STUDY ON QUENCH PROCESS AND QUENCHPROTECTION OF MICE SUPERCONDUCTINGCOUPLING MAGNET

摘要

Abstract

目 录

Contents

符号表

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 MICE 超导耦合磁体概述

1.3 耦合磁体失超与失超保护概述

1.4 超导磁体失超保护系统研究现状

1.5 本文主要研究内容

第2章 耦合磁体失超过程半经验数值模拟

2.1 耦合磁体失超保护系统

2.2 失超过程半经验模型

2.3 模型验证

2.4 耦合磁体失超模拟结果与讨论

2.5 耦合磁体失超过程保护系统参数确定

2.6 本章小结

第3章 耦合磁体失超过程耦合热电磁有限元模拟

3.1 引言

3.2 耦合热电磁有限元模型

3.3 失超过程启动分析

3.4 失超模拟结果及讨论

3.5 骨架的诱发失超效应

3.6 本章小结

第4章 分段螺线管磁体失超过程过电压准确分析

4.1 引言

4.2 过电压常规计算方法

4.3 过电压准确计算方法

4.4 过电压准确计算结果

4.5 分段数目对过电压影响

4.6 本章小结

第5章 失超保护二极管组件低温性能测试

5.1 二极管组件结构

5.2 二极管组件低温性能测试意义

5.3 液氮温区二极管组件性能测试

5.4 10K 温区二极管性能测试

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历