КОНСТРУКЦИЯ ВЫСОКОПОЛЕВОГО БЫСТРОЦИКЛИРУЮЩЕГО СВЕРХПРОВОДЯЩЕГО ДИПОЛЬНОГО МАГНИТА

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:
300
10
- 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 ρ/ρ (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.