張海峰 葉海峰 章學(xué)華 丁懷況 武義鋒

(1中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十六研究所 合肥 230043)

(2安徽萬(wàn)瑞冷電科技有限公司 合肥 230088)

1 引言

隨著4.2 K級(jí)小型低溫制冷機(jī)技術(shù)的突破和高溫超導(dǎo)材料的出現(xiàn)，采用小型低溫制冷機(jī)冷卻低溫超導(dǎo)磁體的技術(shù)得到了快速發(fā)展［1］。利用4.2 K級(jí)小型低溫制冷機(jī)二級(jí)冷頭提供的冷量，可以將低溫超導(dǎo)磁體冷卻至5 K以下，使得超導(dǎo)磁體線圈處于超導(dǎo)狀態(tài)下，為閉環(huán)無(wú)電阻運(yùn)行提供必要的低溫環(huán)境。

相比于液氦浸泡式的低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，采用制冷機(jī)直接冷卻的低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì):冷源單一，無(wú)需液氦等低溫液體;操作簡(jiǎn)單，無(wú)需低溫操作經(jīng)驗(yàn);結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減小了液氦存儲(chǔ)空間，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輕便。介紹了一套采用4.2 K級(jí)制冷機(jī)作為冷量來(lái)源，直接冷卻高溫超導(dǎo)電流引線和低溫超導(dǎo)磁體的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

(1)磁場(chǎng)強(qiáng)度0ˉ4 T連續(xù)可調(diào);

(2)均勻區(qū)長(zhǎng)度≥50 mm，均勻區(qū)直徑≥40 mm;均勻區(qū)內(nèi)的磁場(chǎng)不均勻度≤±5‰;

(3)超導(dǎo)磁體額定運(yùn)行電流:≤70 A(4 T);

(4)室溫孔徑:Φ110 mm，室溫孔軸向長(zhǎng)度:360 mm。

3 直冷式低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

此次實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，此次實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由G-M制冷機(jī)、防輻射屏、超導(dǎo)磁體、高溫超導(dǎo)電流引線等組成［2］。

圖1 低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structure diagram of low temperature superconducting magnet system

3.1 超導(dǎo)磁體的設(shè)計(jì)

超導(dǎo)磁體設(shè)計(jì)時(shí)首先要滿足對(duì)磁場(chǎng)的要求，包括磁場(chǎng)在空間的分布和隨時(shí)間的變化。其次要考慮超導(dǎo)磁體運(yùn)行的可靠性，超導(dǎo)磁體的冷卻以及磁體自身的失超保護(hù)［3］。此次超導(dǎo)磁體線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1，磁體線圈由兩組NbTi線繞制而成的超導(dǎo)線圈組成，結(jié)構(gòu)上采用主線圈為主，線圈兩端各設(shè)計(jì)一個(gè)補(bǔ)償線圈，表1是磁體線圈的設(shè)計(jì)參數(shù)。當(dāng)磁體線圈通入70 A電流時(shí)，中心磁場(chǎng)最大可達(dá)4.26 T，圖2是低溫超導(dǎo)磁體的磁場(chǎng)分布云圖，圖3超導(dǎo)磁體補(bǔ)償線圈的電磁力計(jì)算云圖。

表1 超導(dǎo)磁體主要設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Main design parameters of superconducting magnet

圖2 超導(dǎo)磁體的磁場(chǎng)分布云圖Fig.2 Magnetic field distribution of superconducting magnet

圖3 超導(dǎo)磁體補(bǔ)償線圈的電磁力計(jì)算云圖Fig.3 Electromagnetic force calculation of superconducting magnet coil

為了既保證線圈骨架的強(qiáng)度，同時(shí)降低磁體線圈骨架的傳熱溫差，系統(tǒng)采用無(wú)氧銅和不銹鋼疊加而成的復(fù)合骨架。骨架上同時(shí)設(shè)計(jì)有一定數(shù)量的環(huán)氧浸漬孔，保證線圈進(jìn)行環(huán)氧浸漬時(shí)能夠充分浸入線圈內(nèi)部。

在繞制過(guò)程中，采用恒張力繞線機(jī)進(jìn)行線圈的自動(dòng)繞線，通過(guò)均勻的繞線速度、排線均勻性等保證線圈的性能。待線圈繞制完成后，在線圈外額外繞制一層無(wú)氧銅絲，以保證低溫下超導(dǎo)線圈的收縮強(qiáng)度。待兩組線圈繞制完成后，將兩組線圈組成一個(gè)整體，再進(jìn)行環(huán)氧真空浸漬，使得線圈成為一個(gè)整體，不留任何空隙，以防止導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)。

3.2 高溫超導(dǎo)電流引線的設(shè)計(jì)

電流引線是是磁體礪磁必需的部件，它的設(shè)計(jì)直接影響4.2 K級(jí)溫區(qū)的漏熱，設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致引線漏熱過(guò)大而造成系統(tǒng)冷量不夠。電流引線的設(shè)計(jì)是在滿足設(shè)計(jì)電流的前提下，盡可能減少電流引線向低溫冷頭的漏熱［6］。

此次高溫超導(dǎo)電流引線結(jié)構(gòu)上分為3段，LTS低溫超導(dǎo)段、HTS高溫超導(dǎo)段(4.2ˉ70 K)，銅引線段(70ˉ300 K)。電流引線結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 高溫超導(dǎo)電流引線結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of HTS

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的單根電流引線設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

表2 單根70 A電流引線的基本設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Basic design parameters of single 70 A current leads

LTS低溫超導(dǎo)段采用銅材基體承載NiTi合金線，與磁體線圈相連。HTS高溫超導(dǎo)段采用高溫超導(dǎo)材料Bi-2223/Ag-5.3 wt%Au，其特點(diǎn)在于該材料在液氮溫區(qū)以下無(wú)阻承載電流大、導(dǎo)熱系數(shù)小。極大程度降低高溫區(qū)向低溫區(qū)的傳導(dǎo)漏熱和焦耳熱。由于HTS高溫超導(dǎo)帶材的強(qiáng)度較低，易折斷，因此將低溫段高溫超導(dǎo)電流引線附著在不銹鋼分流器上。同時(shí)，當(dāng)高溫超導(dǎo)帶材失超時(shí)，分流器可以承載一部分電流，最大程度保護(hù)高溫超導(dǎo)帶材，避免大電流燒毀帶材。HTS高溫超導(dǎo)段上端固定在制冷機(jī)一級(jí)導(dǎo)熱銅板上，導(dǎo)熱銅板與制冷機(jī)一級(jí)冷頭相連。HTS高溫超導(dǎo)銅座與導(dǎo)熱銅板之間用氮化鋁墊片絕緣，氮化鋁上下兩面加銦片導(dǎo)熱。氮化鋁是一種導(dǎo)熱性較好，導(dǎo)電性較差的脆性材料，強(qiáng)度較差，易碎。利用這種材料，既實(shí)現(xiàn)了HTS高溫超導(dǎo)段與制冷機(jī)一級(jí)冷頭的良好傳熱，又解決了電流引線與導(dǎo)熱銅板之間的絕緣問(wèn)題。銅引線段采用銅芯電纜，漏熱由制冷機(jī)一級(jí)冷頭來(lái)屏蔽。銅引線段與HTS高溫超導(dǎo)段均采用環(huán)氧管與外界絕緣。

3.3 低溫杜瓦的設(shè)計(jì)

低溫杜瓦為超導(dǎo)磁體運(yùn)行提供必要的低溫環(huán)境，維持超導(dǎo)磁體的穩(wěn)定運(yùn)行。超導(dǎo)磁體通過(guò)環(huán)氧玻璃鋼材料制作而成的拉桿吊裝在磁體杜瓦的上法蘭上，采用銅加工制作而成的防輻射屏與制冷機(jī)一級(jí)冷頭連接，同樣通過(guò)環(huán)氧玻璃鋼材料制作而成的拉桿吊裝在磁體杜瓦的上法蘭上［4-5］。

在此次實(shí)驗(yàn)中，考慮到制冷機(jī)能否提供穩(wěn)定的冷量會(huì)對(duì)超導(dǎo)磁體運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響，因此選用商用化成熟的日本住友公司SRDK-415D制冷機(jī)作為冷量來(lái)源。該制冷機(jī)二級(jí)冷頭可在4.2 K溫度下提供1.5 W的冷量，一級(jí)冷頭可在50 K時(shí)提供35 W的冷量。制冷機(jī)二級(jí)冷頭通過(guò)高導(dǎo)熱系數(shù)的柔性連接部件與超導(dǎo)磁體、高溫超導(dǎo)電流引線的低溫超導(dǎo)段連接。制冷機(jī)一級(jí)冷頭與防輻射屏、高溫超導(dǎo)電流引線的高溫超導(dǎo)端連接。

為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)制冷機(jī)和超導(dǎo)磁體的溫度狀態(tài)，在制冷機(jī)二級(jí)冷頭、高溫超導(dǎo)電流引線低溫端、超導(dǎo)磁體上各安裝有一只經(jīng)標(biāo)定后測(cè)量至1.4 K的CX-1010型電阻式溫度傳感器;在制冷機(jī)一級(jí)冷頭、高溫超導(dǎo)電流引線高溫端和防輻射屏上各安裝有一只PT1000溫度傳感器，并通過(guò)測(cè)溫儀表采集溫度。表3是此次低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)各個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傳感器情況。

3.4 低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的漏熱計(jì)算

低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)中制冷機(jī)一級(jí)冷頭的主要熱負(fù)荷包括［5-7］:(1)室溫對(duì)防輻射屏的輻射漏熱;(2)高溫超導(dǎo)電流引線從室溫端到一級(jí)冷頭溫度的固體傳導(dǎo)漏熱和焦耳熱;(3)吊桿和支撐的固體傳導(dǎo)漏熱;(4)殘余氣體的對(duì)流漏熱;(5)溫度傳感器的測(cè)量引線漏熱。制冷機(jī)二級(jí)冷頭主要熱負(fù)荷的包括:(1)防輻射屏對(duì)超導(dǎo)磁體的的輻射漏熱;(2)高溫超導(dǎo)電流引線從一級(jí)冷頭溫度到超導(dǎo)磁體的漏熱;(3)吊桿和支撐的固體傳導(dǎo)漏熱;(4)殘余氣體的對(duì)流漏熱;(5)溫度傳感器的測(cè)量引線漏熱。

表3 傳感器布置位置與傳感器類(lèi)型表Table 3 Sensor placement and sensor type

通過(guò)漏熱計(jì)算，系統(tǒng)兩級(jí)溫區(qū)漏熱如表4所示。

表4 低溫系統(tǒng)漏熱計(jì)算Table 4 Heat leakage calculation of cryogenic system

3.5 二級(jí)冷頭和超導(dǎo)磁體之間的熱傳導(dǎo)計(jì)算

由于直冷式超導(dǎo)磁體直接與制冷機(jī)二級(jí)冷頭連接在一起，采用制冷機(jī)直接冷卻，因此能否將超導(dǎo)磁體冷卻至分流溫度以下是超導(dǎo)磁體運(yùn)行的前提，同時(shí)超導(dǎo)磁體的溫度越低，運(yùn)行的穩(wěn)定性越高。

此次二級(jí)冷頭和超導(dǎo)磁體連接在一起，主要為熱傳導(dǎo)，計(jì)算如下:

式中:Q為從冷頭傳向超導(dǎo)磁體的冷量，W;λ為無(wú)氧銅的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m˙℃);A為導(dǎo)冷帶的截面積，m2;ΔT為導(dǎo)冷帶兩側(cè)的溫差，℃;L為導(dǎo)冷帶長(zhǎng)度，m。

經(jīng)過(guò)對(duì)RDK-415D制冷機(jī)進(jìn)行了冷量測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該型號(hào)制冷機(jī)在3.3 K時(shí)可提供0.5 W的冷量。因此設(shè)定二級(jí)冷頭溫度在3.3 K，導(dǎo)冷帶的長(zhǎng)度為L(zhǎng)=220 mm，有效傳熱截面積約為A=5×10－4m2。

查得無(wú)氧銅的導(dǎo)熱系數(shù)λ=473 W/m˙K將以上的數(shù)據(jù)帶入公式計(jì)算得出ΔT=0.47 K。

所以可以得出超導(dǎo)磁體靠近二級(jí)冷頭一端溫度約為3.77 K，低于超導(dǎo)磁體設(shè)計(jì)的分流溫度。

為進(jìn)一步分析超導(dǎo)磁體運(yùn)行的穩(wěn)定性，對(duì)超導(dǎo)磁體在4.2 K下的熱流和溫度場(chǎng)進(jìn)行Ansys仿真分析。仿真分析結(jié)果如圖5和圖6所示。通過(guò)Ansys仿真分析可知，超導(dǎo)磁體在4.2 K溫度下，熱流分布和溫度場(chǎng)分布均滿足超導(dǎo)磁體運(yùn)行要求，超導(dǎo)磁體表面最大溫差為0.7 K，最高溫度為4.9 K，遠(yuǎn)低于超導(dǎo)磁體運(yùn)行時(shí)的分流溫度。

圖5 超導(dǎo)磁體熱流分布仿真云圖Fig.5 Simulation image of superconducting magnetic flux distribution

圖6 超導(dǎo)磁體溫度場(chǎng)分布仿真云圖Fig.6 Simulation image of superconducting magnetic temperature field distribution

4 傳導(dǎo)冷卻型低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)

4.1 傳導(dǎo)冷卻型低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)降溫實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)前，采用真空機(jī)組對(duì)低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)夾層進(jìn)行抽空處理，減小因真空夾層殘余氣體分子產(chǎn)生的漏熱影響。待夾層真空度優(yōu)于1×10－3Pa后，開(kāi)啟G-M制冷機(jī)，進(jìn)行降溫。經(jīng)過(guò)48 h后，超導(dǎo)磁體系統(tǒng)內(nèi)溫度降至3.8 K，圖7是低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的降溫曲線圖。

圖7 低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)降溫曲線Fig.7 Experimental cooling curve of low temperature superconducting magnet system

4.2 傳導(dǎo)冷卻型低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)勵(lì)磁試驗(yàn)

用系統(tǒng)配備的專用勵(lì)磁電源對(duì)磁體線圈加載電流，電流由0 A加至70 A，先后經(jīng)歷了兩次失超鍛煉，失超電流分別為41.2、56.9 A，第3次加載電流至70 A后，用霍爾元件測(cè)量室溫孔中心處磁場(chǎng)強(qiáng)度，實(shí)測(cè)中心磁場(chǎng)強(qiáng)度為4.26T，室溫孔中心線處磁場(chǎng)位型如圖8所示。經(jīng)測(cè)量計(jì)算，室溫孔均勻區(qū)長(zhǎng)度＞50 mm，均勻區(qū)內(nèi)磁場(chǎng)不均勻度為±2.4‰。

5 結(jié)論

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，系統(tǒng)選用1.5 W@4.2 K的GM制冷機(jī)作為冷源，實(shí)現(xiàn)了低溫超導(dǎo)磁體的直接冷卻。加載電流運(yùn)行后磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)值，均勻區(qū)內(nèi)不均勻度優(yōu)于指標(biāo)要求。

圖8 超導(dǎo)磁體系統(tǒng)磁場(chǎng)位型圖Fig.8 Magnetic type map of superconducting magnet system

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