BEPCⅡ SCQ、SSM超导磁体系统低温工作特性研究

摘要

随着现代粒子加速器、可控核聚变装置等大科学工程的建设，大型超导磁体在世界范围内得到了广泛应用。而超导磁体大都运行在约4.5K(-269℃)的液氦温区，这又促进了低温技术的发展。北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCⅡ)将新增加3种超导设备，即1对超导四极磁体(SCQ)、1个超导螺线管磁体(SSM)和1对超导加速腔(SRF)。相应的需要建设一套制冷量为1kW/4.5K的大型氦低温系统，保证超导设备的长期稳定运行。超导设备及低温系统性能的优劣将直接影响着将来对撞机运行时各项基本物理参数，甚至直接关系到整个装置改造的成败。所以在进行超导设备及低温系统设计时，要充分考虑超导设备在低温下的工作特性以及各种运行模式。本文以BEPCⅡ中关键部件SCQ、SSM超导磁体为主要研究对象，研究了超导磁体在低温下的稳态与非稳态工作特性中的若干问题，包括冷却介质的流动特性、传热机理，磁体的冷却结构、电磁与机械性能等。目的是为超导磁体在低温下安全可靠的工作提供设计保障和理论依据。
　　本文首先用计算流体力学软件FLUENT数值模拟SCQ磁体低温恒温器的温度分布情况，得到该磁体的热负荷，计算结果得到美国BNL国家实验室提供数据的验证。同时，还对磁体轴向和径向支撑计算了变物性下的漏热情况。模拟了SCQ磁体冷屏上的温度分布，提出8管冷却方案来取代原设计中4管冷却方案。模拟冷却氦流在SCQ磁体通道中的流动情况，比较了超临界氦流和过冷氦流这两种冷却方式对流道中热点温度的影响，为该磁体冷却方式的确定提供了依据。
　　应用有限元软件ANSYS数值模拟SSM磁体的支撑漏热情况，并用FLUENT模拟了SSM磁体和冷屏上温度分布，为冷却管线选择合理的布置方式。应用ANSYS模拟了SCQ磁体中的反螺线管线圈在SSM磁体中的受力情况，计算的磁场力得到美国BNL实验室计算结果以及中科院高能所(IHEP)采用OPERA-2D程序计算结果的验证。在得到磁场力同时，得出了此时磁力线的分布。
　　SCQ、SSM磁体在降温和升温过程中，进出磁体的氦流温度、压力值是随时间非线性变化的，数值模拟时单独考虑磁体较难确定边界条件。针对这一情况，本文采用将磁体和低温系统综合考虑的思路，同时考虑低温系统中传输管线、流量计和低温调节阀门的压降作用，此时磁体和低温系统互为边界条件。采用有限差分方法离散方程，编制通用计算程序，数值求解了SCQ磁体及低温系统非稳态、非线性控制方程。
　　SSM磁体的冷却结构十分复杂，90米长的冷却管线蜿蜒24道弯焊接在磁体支撑筒体的外表面。本文对SSM磁体采用有限体积离散，冷却管线则采用有限差分法离散，编制通用计算程序，数值求解了SSM磁体降温和升温过程。通过求解得到了SCQ和SSM磁体从300K到4.5K的降温，从4.5K到300K的升温时间。考察了磁体上最高温度、最低温度以及最大温差随时间的变化趋势，得到磁体上最大温差出现的时间，并分析产生这一情况的内部因素。同时考察了降温、升温过程，磁体低温系统中氦流压力随时间的变化关系，讨论了保证磁体安全运行所需要采取的措施。
　　失超传播速度是失超过程及失超保护研究的关键性参数。给出了以铝为稳定化基材的超导复合导体绕制的磁体失超传播速度理论公式的推导过程，并根据SSM磁体的具体尺寸、材料参数，计算得到该磁体在运行电流下的失超传播速度值。推导了考虑涡电流变化的SSM磁体失超轴向传播热平衡方程，开发了计算失超传播速度的程序。该程序能考察各种不同运行参数，不同初始条件和边界条件下的失超传播过程，得到磁体上的温度分布，同时能考察涡电流对加速失超传播的影响。
　　数值求解SSM超导磁体失超的非线性、非稳态控制方程。考察了不同失超位置、不同运行电流、不同传播速度以及不同保护电阻情况下，磁体失超后最大温度及磁体上电压的变化。磁体在正常电流下运行(I=3000A)，即使发生泄能电阻短路的最坏情况，磁体也能安全运行，不会出现因为大的电压击穿磁体或由于大的温差而毁坏磁体。失超传播速度对磁体上最大温差和电压的影响较大，应采取在线圈内层的环氧树脂外布置铝带，在线圈表面布置加热器等对磁体保护具有积极意义的措施。分析了磁体由于涡电流损耗而产生Quench-back现象对磁体失超保护的影响。
　　1000L杜瓦阀箱和SCQ磁体阀箱是BEPCⅡ超导磁体低温系统中的关键设备，对其进行了低温性能测试。采用“蒸发率测试方法”，对20、40、60层多层绝热材料进行了测试，得到不同真空度下单位面积上的热流率。通过测试，得出本批次多层绝热材料的性能略差于国外同类产品，满足绝热要求，可大量运用在BEPCⅡ中的磁体、阀箱和低温传输管线中。

目录

BEPCII SCQ、SSM超导磁体系统低温工作特性研究

RESEARCH ON CRYOGENIC PERFORMANCE OF SCQ AND SSM SUPERCONDUCTING MAGNETS SYSTEM FOR BEPCII

摘要

Abstract

Contents

符号表

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 BEPC简介

1.1.2 BEPCII简介

1.1.3 BEPCII低温系统

1.2 低温技术在大型超导磁体系统中的应用

1.2.1 国外高能加速器

1.2.2 国外高能粒子探测器

1.2.3 我国的大科学工程

1.3 BEPCII超导磁体系统建设中几个关键问题

1.4 超导磁体系统国内外研究现状

1.4.1超导磁体多物理场研究现状

1.4.2超导磁体降温升温研究现状

1.4.3超导磁体失超和保护

1.5 本文主要研究内容

1.5.1 SCQ、SSM超导磁体多物理场研究

1.5.2 SCQ超导磁体降温和升温

1.5.3 SSM超导磁体降温和升温

1.5.4 SSM超导磁体失超传播与保护

1.5.5 SCQ、SSM磁体冷却装置低温性能测试

第2章 SCQ、SSM超导磁体多物理场研究

2.1 SCQ磁体温度场与流场模拟

2.1.1 控制方程

2.1.2 SCQ磁体物理模型

2.1.3 热负荷分析

2.1.4 两种冷却方式对比

2.2 SSM磁体温度场数值模拟

2.2.1 支撑结构与热负荷

2.2.2 冷却管线布置与温度场

2.3 SSM磁体磁场模拟

2.3.1 模拟意义

2.3.2 物理模型和结果

2.4 本章小结

第3章 SCQ、SSM超导磁体非稳态热物理过程研究

3.1 BEPCII低温系统总体布置

3.2 SCQ磁体的降温和升温

3.2.1 SCQ超导磁体工作模式

3.2.2 物理模型及简化

3.2.3 控制方程及有限差分离散

3.2.4 数值求解过程

3.2.5 降温过程结果及分析

3.2.6 升温过程结果及分析

3.2.7 失超后复温过程结果及分析

3.3 SSM磁体的降温和升温

3.3.1 SSM磁体系统工作模式

3.3.2 物理数学模型及数值计算

3.3.3 求解过程及结果分析

3.4 本章小结

第4章 SSM超导磁体失超传播和保护研究

4.1 引言

4.2 正常区周向传播

4.2.1 周向传播速度的理论推导

4.2.2 周向传播速度的求解

4.3 正常区轴向传播

4.3.1 考虑涡电流损耗的热平衡

4.3.2 数值求解

4.3.3 结果分析与讨论

4.4 失超过程与保护系统

4.4.1 物理模型与计算方法

4.4.2 结果及分析讨论

4.5 本章小结

第5章 SCQ、SSM超导磁体冷却装置低温系能测试

5.1 1000L杜瓦分配阀箱降温测试

5.1.1 1000L杜瓦分配阀箱功能与结构

5.1.2 阀箱测试过程及结果

5.2 SCQ辅助阀箱降温测试

5.2.1 SCQ辅助阀箱功能与结构

5.2.2 SCQ辅助阀箱测试过程及结果

5.3 多层绝热材料绝热性能测试

5.3.1 实验意义

5.3.2 实验原理

5.3.3 实验装置

5.3.4 实验步骤

5.3.5 实验结果及分析

5.3.6 实验过程中出现问题的处理

5.4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读博士学位期间所发表的学术论文

博士学位论文原创性声明

致谢

个人简历