廖天發(fā)，梁 羽

（1.惠州學(xué)院 廣東省重離子加速器工程技術(shù)研究中心，廣東 惠州 516007；2.中國科學(xué)院近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000）

稀有同位素束流裝置（The Facility of Rare Isotope Beams，簡稱FRIB）是美國能源部在密歇根州立大學(xué)（Michigan State University，簡稱MSU）建設(shè)的美國國家超導(dǎo)回旋加速器實(shí)驗(yàn)室一部分［1-2］，該裝置可產(chǎn)生只存在于爆炸的超新星中的稀有同位素，造價5.5億美元，將用于研究質(zhì)子和中子之間的作用力，并可在材料科學(xué)及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用.

1 磁體簡介

FRIB超導(dǎo)螺線管用于美國MSU的FRIB項(xiàng)目的超導(dǎo)直線加速器中，包括一個聚焦螺線管和一組雙向矯正（水平矯正和垂直矯正）二極磁體，用于對束流聚焦和位置矯正.本設(shè)計(jì)詳細(xì)介紹了FRIB超導(dǎo)螺線管的電磁設(shè)計(jì)，為后續(xù)的機(jī)械設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù).

2 磁體參數(shù)

超導(dǎo)螺線管有兩種規(guī)格，分別為有效長度50cm和25cm，聚焦螺線管和矯正二極磁體將組裝在一個氦槽里，工作溫度為4.5K.磁體要求在一個有限空間內(nèi)產(chǎn)生平方積分磁場為和13.6T2m的軸向磁場，同時需要積分磁場為0.06 Tm和0.03 Tm的雙向矯正磁場.50cm和25cm超導(dǎo)螺線管設(shè)計(jì)要求的分別如表1和表2所示.

表1 50cm超導(dǎo)螺線管設(shè)計(jì)要求

表2 25cm超導(dǎo)螺線管設(shè)計(jì)要求

3 磁體設(shè)計(jì)

3.1 聚焦螺線管設(shè)計(jì)

磁體要求減小雜散場，于是通過在主線圈外增加兩個屏蔽線圈以降低雜散場［3-4］.通過非線性優(yōu)方法，得到聚焦螺線管線圈形狀如圖1所示.漏場分布如圖2所示，軸線磁場分布如圖3所示，線圈最高磁場為7.95 T.

圖1 50 cm聚焦螺線管線圈結(jié)構(gòu)

圖2 50cm聚焦螺線管漏場分布（>270高斯區(qū)域）

圖3 50cm聚焦螺線管軸線磁場分布

50 cm聚焦螺線管設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示，由3個線圈組成，一個主線圈和2個屏蔽線圈，NT為主線圈，S1-A、S2-B為屏蔽線圈.平方積分磁場（-200mm≤z≤200mm）為28.2 T2m，直徑30 mm范圍內(nèi)積分均勻度好于5%.三個線圈串聯(lián)后由一臺電源勵磁，工作電流為90 A.4.5K溫度下工作電流與臨界電流的比值Io/Ic小于0.5.線圈采用三種線規(guī)以減小線圈體積，裸線尺寸分別是0.85mm、0.6mm和0.5mm，銅超比為1.3.線圈采用偶數(shù)層結(jié)構(gòu)，線頭從線圈一端進(jìn)出.

表3 50cm超導(dǎo)螺線管線圈設(shè)計(jì)參數(shù)

基于相同的設(shè)計(jì)思路和原則得到了25cm聚焦螺線管的線圈設(shè)計(jì)如圖4所示，漏場分布和軸線磁場分布如圖5和圖6所示.

圖4 25cm超導(dǎo)螺線管磁場計(jì)算模型

圖5 25cm超導(dǎo)螺線管漏場分布（>240高斯區(qū)域）

圖6 25cm超導(dǎo)螺線管軸線磁場分布

3.2 矯正二極磁體設(shè)計(jì)

矯正二極磁體由兩對跑道型線圈組成，安裝于聚焦螺線管的主線圈和屏蔽線圈之間［5］，50cm超導(dǎo)螺線管集成雙向校正二極磁體的整體模型如圖7所示.矯正二極磁場分布如圖8所示，峰值為0.12T，位于磁體中心.

圖7 超導(dǎo)螺線管整體模型（左：50cm，右：25cm）

圖8 矯正二極磁場分布（左：50cm，右：25cm）

線圈設(shè)計(jì)參數(shù)如表4和表5所示，橫向積分磁場為0.06 Tm和0.03Tm，直徑30 mm范圍均勻度好于2%.每組矯正線圈由一臺電源勵磁，工作電流為19 A.矯正線圈與聚焦螺線管屏蔽線圈采用相同的線規(guī)，即裸線尺寸為0.5 mm，銅超比為1.3.線圈采用偶數(shù)層結(jié)構(gòu)，線頭從線圈一端進(jìn)出.

表4 50cm矯正二極磁體設(shè)計(jì)參數(shù)

表5 25cm矯正二極磁體設(shè)計(jì)參數(shù)

（續(xù)表4）

（續(xù)表5）

4 結(jié)論

文章重點(diǎn)介紹了運(yùn)用有限元磁場計(jì)算軟件Vector Fields Opera進(jìn)行FRIB超導(dǎo)螺線管的進(jìn)行聚焦螺線管和矯正二極磁體的電磁設(shè)計(jì)，聚焦螺線管的均勻度好于5%，矯正二極磁體的均勻度好于2%.把設(shè)計(jì)報告交付給西部超導(dǎo)材料科技股份有限公司進(jìn)行技術(shù)加工，并且進(jìn)行了低溫測試實(shí)驗(yàn)，與測試數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證電磁設(shè)計(jì)的合理性和可行性，最后成功應(yīng)用在FRIB裝置.通過FRIB超導(dǎo)螺線管的電磁設(shè)計(jì)，為未來該類型磁體設(shè)計(jì)應(yīng)用在加速器領(lǐng)域提供寶貴的參考價值.