強(qiáng)磁場,和超高壓、極低溫一起,被列為現(xiàn)代科學(xué)實驗最重要的三大極端條件,是物理、材料、生物等學(xué)科進(jìn)行科學(xué)研究的利器,被人們成為諾貝爾獎的搖籃,是各國科學(xué)界加以追求的目標(biāo)之一。中國在經(jīng)歷了將近10年的設(shè)計和建設(shè),于2016年8月建成40 T混合磁體穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場實驗裝置,2017年5月全面完成調(diào)試和驗收,與法國、波蘭、日本、德國、美國一起,并列成為擁有建成的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場裝置的五大國家,具有世界領(lǐng)先水平。混合磁體內(nèi)包含內(nèi)水冷磁體和外超導(dǎo)磁體,內(nèi)水冷磁體提供30 T磁場,外超導(dǎo)磁體提供10 T磁場,混合磁體的中心場強(qiáng)達(dá)到40 T。本課題主要對低溫系統(tǒng)的建設(shè)、聯(lián)合運行以及混合磁體外超導(dǎo)磁體的降溫過程計算和實際調(diào)試進(jìn)行研究,工作內(nèi)容主要包括:充分了解和學(xué)習(xí)360 W@4.5K低溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成和運行模式,了解外超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)、基本的降溫方法和相關(guān)工作要求,以及低溫系統(tǒng)與磁體的聯(lián)合運行方式,了解各子系統(tǒng)的作用和分工,理解對磁體降溫的設(shè)計方案和要求,為后期的調(diào)試工作做好前期準(zhǔn)備。根據(jù)降溫設(shè)計的要求,對外超導(dǎo)磁體的降溫過程開展討論。分為兩個階段:第一階段從300 K降溫至80 K,第二階段從80 K降溫至5 K。對于第一階段降溫的數(shù)值計算,分別對磁體線圈、內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的抽象和簡化,并對整個超導(dǎo)磁體建立了降溫模型,通過模型的計算可以獲得磁體線圈內(nèi)各個時間段冷質(zhì)量和氦氣沿著流動方向在降溫過程中的溫度分布和流動狀態(tài),并且滿足磁體內(nèi)部最大溫差小于50 K的工程要求。對于第二階段,將制冷機(jī)的膨脹機(jī)開啟后,降溫不再受溫差限制,利用膨脹機(jī)提供的冷量,將磁體降溫至5 K。計算結(jié)果表明,磁體內(nèi)各線圈能夠保持同步降溫的狀態(tài),從300 K降溫至5 K的整個過程可以在580個小時內(nèi)完成。對建成的超導(dǎo)磁體進(jìn)行降溫調(diào)試,完成勵磁實驗。降溫的基本流程分為低溫系統(tǒng)部分,閥箱部分和磁體部分。調(diào)試前,需要將系統(tǒng)內(nèi)所有管道進(jìn)行抽空置換,排出內(nèi)部雜質(zhì)氣體,以防在低溫下凝結(jié)固化堵塞通道。氦氣通過制冷機(jī)降溫后通入分配閥箱,再由分配閥箱向磁體各通道供氣。從300 K降溫到80 K的預(yù)冷階段,冷量來源自液氮的消耗,從80 K到5K的降溫階段,開啟制冷機(jī)內(nèi)部膨脹機(jī),保持更低溫度的冷量供應(yīng)。兩次降溫調(diào)試的整個過程歷時大約23天,預(yù)冷階段在出現(xiàn)最大溫差超過50 K之后,及時對降溫策略進(jìn)行調(diào)整,保證了磁體不受局部應(yīng)力過大而損壞。對計算模型中選用的摩擦系數(shù)公式進(jìn)行修正調(diào)整,對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,分析實際調(diào)試過程和計算過程的差別對比。在實際的調(diào)試過程中,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在一些特殊的問題,比如有系統(tǒng)內(nèi)部的溫度傳感器和真空規(guī)管受磁場影響比較大,在系統(tǒng)勵磁中會表現(xiàn)出示數(shù)變化,影響系統(tǒng)正常監(jiān)控或者操作,需要對其進(jìn)行變化規(guī)律的總結(jié)和磁屏蔽計算,設(shè)計屏蔽罩尺寸和厚度;隨著二代高溫超導(dǎo)材料的興起,電流引線的改造升級也近在眼前,而新材料最大的應(yīng)用困難是焊接工藝,需要對傳統(tǒng)的焊接工藝進(jìn)行改進(jìn)才能得到更好的應(yīng)用。本文同時對這些相關(guān)的拓展項目開展理論或者實驗研究。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TL622
【部分圖文】：

隨著科技發(fā)展的日新月異，國際上超導(dǎo)強(qiáng)磁場裝置、核聚變裝置、??高能加速器裝置和超導(dǎo)儲能裝置越來越多，大型超導(dǎo)磁體的應(yīng)用更加廣泛而深??入，這也促使大中型氦制冷機(jī)系統(tǒng)的研制和建設(shè)有了長足的發(fā)展【３８］。??歐洲核子中心（ＣＥＲＮ）大型強(qiáng)子對撞機(jī)（ＬＨＣ）是目前世界上最高能量的??強(qiáng)子對撞機(jī)，其內(nèi)部的超導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)包含約１８００個不同的高場強(qiáng)磁體，分布在周??長為２７．６ｋｍ的隧道上科學(xué)家用了約１２００噸的Ｎｂ＿Ｔｉ主材，制造了所有??大大小小的超導(dǎo)磁體，并且只有將超導(dǎo)磁體冷卻到１．９?Ｋ，才能夠獲得實驗或工??作需要的８．３?Ｔ磁場。作為如此大系統(tǒng)的低溫環(huán)境支持平臺，ＣＥＲＮ的低溫系統(tǒng)??為世界上最大的低溫系統(tǒng)，總的設(shè)計氦制冷量達(dá)到１４４?ｋ＼Ｖ／４．５?Ｋ和２０?ｋＷ／１．９?Ｋ，??為了冷量的按需分配，還設(shè)計了最大低溫分配系統(tǒng)。在超導(dǎo)磁體分布的大環(huán)周長??上一共分布８個低溫站，每個站間距環(huán)線長度３．３?ｋｍ，在以每個低溫站為中心平??均劃分的扇區(qū)里，配置有兩臺制冷量分別為１８ｋＷ／４．５Ｋ和２．４ｋＷ／１．８Ｋ的氦制??冷機(jī)，為所在單元提供冷量。低溫系統(tǒng)需要冷卻的超導(dǎo)磁體總質(zhì)量約４７０００噸，??工作計劃要求要在１４天內(nèi)將各部分的冷質(zhì)量從室溫冷卻到１．９?Ｋ，且要將盛裝磁??體杜瓦內(nèi)２／３的空間以液氦填充。??１．８?Ｋ?Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ?Ｕｎｉｔ?Ｎｅｗ?４．５?Ｋ?Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ?Ｅｘｉｓｔｉｎｇ?４．５?Ｋ?ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｏｒ?１．８?Ｋ?Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ?Ｕｎｉｔ??

??圖１．２法液空公司設(shè)計的１８ｋＷ／４．５Ｋ氦制冷機(jī)流程簡圖??圖１．１為每個扇區(qū)的低溫系統(tǒng)的流程簡圖。圖１．２展示了法液空公司為ＬＨＣ??設(shè)計制造的具有８臺膨脹機(jī)的１８?ｋＷ／４．５?Ｋ低溫系統(tǒng)的流程，圖１．３為中林德公??司設(shè)計的具有相同制冷能力的低溫系統(tǒng)，其內(nèi)部具有１０臺膨脹機(jī)。有報道稱２００８??年１０月２０日，ＬＨＣ系統(tǒng)８個扇區(qū)內(nèi)的所有超導(dǎo)磁體均被成功地冷卻到１．９?Ｋ溫??度，達(dá)到操作溫度標(biāo)準(zhǔn)，并在兩年后，加速器內(nèi)完成質(zhì)子流對撞試驗。??ｉ?ｌｎ２－??Ｍ?丨??１??Ｔ４?Ｔ５?Ｔ６?Ｔ７?Ｔ８?Ｔ９?ＴＯ??ｒＯＣＷｈ．．?．．?２－?ＪＯＯ，?［００，?ｒＯＯ，?［０——??ＴＩＴ２Ｔ３?＾?ｒ，?“??ｎ?Ｈ?ｈｉ?＇ｌｌ?ｉｎ＾ｎ??＇ｔ－－－??Ｉ?＂?ｌ＂￣＂?Ｉ

個過程所用時間相差將近一倍＠］，實際降溫時間大約耗時５０天，比預(yù)計的時間??多出２０天。文章分析主要的原因是制冷機(jī)制冷能量的降低，可以說，實際的降??溫調(diào)試過程要比計算時考慮到的情況復(fù)雜得多，計算誤差在所難免。圖１．７顯示??了實際降溫時間和預(yù)計降溫時間的對比。??３００?ｔｖ??一?＾ｓｕｒｅｄａｖｅ＾?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?６００??｜｜?■?■?Ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ?ａｖｅｒａｇｅ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ??２５０?Ｉ?ｊ?Ｍｅａｓｕｒｅｄ?ｃｏｏｌｉｎｇ?ｐｏｗｅｒ??＾??ｆ?２０°?－?ｖｒｖｐ?ｔｋ｜｜?－－－－－?－４〇〇?｜??｜１５〇Ｊｉｍ?－??３００?１??Ｉ?ｉ〇〇?－Ｊ－Ｌ－｜??—－?２〇〇?｜??５０?…Ｉ……二Ｉ?１〇０?°??〇?－ｐ－———ｙ?Ｊ?Ｌ－ｉ?喊?〇??０?１０?２０?３０?４０?５０??ｔｉｍｅ?［ｄａｙ］??圖１．７?ＬＨＣ磁體實際降溫時間與預(yù)計降溫時間對比??８??
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2851008