湯啟升 周巧根 吳騰馬 張繼東 樊 凱 丁 祎 文雍梅

1（中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 上海 201800）

2（中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

3（中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院 上海 201204）

波蕩器是先進(jìn)光源上的關(guān)鍵設(shè)備。根據(jù)其磁場(chǎng)的來(lái)源可分為永磁波蕩器和超導(dǎo)波蕩器（Superconducting Undulator，SCU）。相比于永磁波蕩器，SCU在相同的磁隙下能產(chǎn)生更高的峰值磁場(chǎng)和K值，從而提高同步輻射或自由電子激光的性能［1-2］。國(guó)內(nèi)外一些單位對(duì)SCU研究投入了大量精力和時(shí)間，并取得了一系列成果，如德國(guó)的ANKA（ANgstrom Source KArlsruhe）、美 國(guó) 的APS（Advanced Photon Source）等光源上都已實(shí)現(xiàn)了SCU在電子儲(chǔ)存環(huán)上的運(yùn)行［2-4］；俄羅斯的BINP（Budker Institute of Nuclear Physics）研制了峰值磁場(chǎng) 為1.2 T的SCU樣 機(jī)［5］；上 海 同 步 輻 射 光 源（Shanghai Synchrotron Radiation Facility，SSRF）也研制成功了SCU模型機(jī)并已安裝到電子儲(chǔ)存環(huán)上。SHINE將建設(shè)三條波蕩器線，其中一條線由40臺(tái)磁體長(zhǎng)度為4 m、周期長(zhǎng)度為16 mm的SCUs組成，且可產(chǎn)生能量為10～25 keV的光子。

為驗(yàn)證技術(shù)的可行性，在批量生產(chǎn)之前進(jìn)行了SCU樣機(jī)的研制。該樣機(jī)有兩套冷卻回路，其中一套冷卻介質(zhì)為45 K低溫氦氣的回路，用來(lái)冷卻冷屏和二元電流引線等部件。另一套冷卻介質(zhì)為4.2 K液氦的回路，用來(lái)冷卻超導(dǎo)磁體、束流通道。由常導(dǎo)銅引線段和HTS段組成的二元電流引線用來(lái)連接恒溫器外部電纜與內(nèi)部低溫超導(dǎo)線圈，形成通電回路。由于HTS產(chǎn)生的焦耳熱非常小且其導(dǎo)熱系數(shù)小，較之于銅材引線可明顯降低由45 K溫區(qū)傳遞到4.2 K溫區(qū)的熱量。常導(dǎo)銅引線上有來(lái)自其熱端的漏熱以及通電后產(chǎn)生的焦耳熱，這些熱量如果沒(méi)有被有效傳遞走，會(huì)引起HTS升溫、失超。

目前，國(guó)際上研制、設(shè)計(jì)中的SCU都裝有制冷機(jī)且內(nèi)部置有液氦槽，即制冷系統(tǒng)與主機(jī)集成在一起，結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜［1-5］，其優(yōu)點(diǎn)是直接利用制冷機(jī)冷頭和液氦槽來(lái)冷卻電流引線［6-8］。在SHINE SCU樣機(jī)研制中，結(jié)合將來(lái)的工程條件將制冷系統(tǒng)與主機(jī)分開(kāi)，即液氦和低溫氦氣都是經(jīng)由冷卻管來(lái)冷卻低溫部件。這簡(jiǎn)化了SCU恒溫器的結(jié)構(gòu)，然而由于恒溫器內(nèi)部沒(méi)有制冷機(jī)冷頭和液氦槽，冷卻管需要通過(guò)一系列導(dǎo)冷組件來(lái)冷卻電流引線。

1 超導(dǎo)波蕩器樣機(jī)主體結(jié)構(gòu)

SCU樣機(jī)主要由磁體、電流引線組件、恒溫器（真空罐、冷屏、冷卻管）以及支撐臺(tái)等組成。目前，國(guó)際上光源裝置中無(wú)論是SCU還是超導(dǎo)扭擺器（Superconducting Wiggler，SCW）都采用了獨(dú)立的束流真空室，即束流真空與絕熱真空隔離［1，6-11］。為了實(shí)現(xiàn)1.58 T的峰值磁場(chǎng)，SHINE SCU的磁隙只有5 mm，無(wú)法放置獨(dú)立的束流真空室。兩條平行鋪設(shè)在磁體上的銅箔和夾在銅箔之間固定厚度的銅條組成了開(kāi)放式束流室，即絕熱真空與束流真空連通。

真空罐中部有一個(gè)大法蘭接口用來(lái)連接冷卻管、電流引線等部件。冷卻管纏繞在冷屏和銅脖上并通過(guò)低溫傳輸管線連接到外部制冷系統(tǒng)形成冷卻回路。冷屏處于磁體與真空罐之間，采用4組（每組4根）對(duì)稱(chēng)的不銹鋼空心拉桿固定在真空罐上，用來(lái)屏蔽真空罐的輻射熱，并冷卻磁體支撐桿中部、減少對(duì)磁體的漏熱。安裝在冷屏中部的銅脖用來(lái)固定并冷卻電流引線。

磁體處于恒溫器內(nèi)部的中心位置，通過(guò)5對(duì)沿磁體長(zhǎng)度方向可平移的不銹鋼空心桿支撐。4根液氦管對(duì)稱(chēng)分布在磁體的背面和側(cè)面上，通過(guò)低溫傳輸管線連接到外部液氦槽形成冷卻回路。SCU樣機(jī)各主要部件及它們的位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 SHINE超導(dǎo)波蕩器樣機(jī)模型1-大法蘭接口，2-二元電流引線，3-銅脖，4-真空罐，5-冷屏，6-磁體，7-磁體支撐桿，8-支撐臺(tái)Fig.1 Model of SHINE SCU prototype1-Flange,2-Binary current leads,3-Copper neck,4-Vacuum chamber,5-Thermal shield,6-Magnet,7-Magnet support rods,8-Support platform

2 二元電流引線冷卻方案

SCU樣機(jī)共有5臺(tái)電源給超導(dǎo)磁體供電，這就需要5對(duì)（共10根）二元電流引線來(lái)連接磁體上的低溫超導(dǎo)線圈和大法蘭接口上的常溫電極法蘭。每根二元電流引線上都有一個(gè)連接銅塊固定在冷屏中部的銅脖上，用以電連接常導(dǎo)銅引線和HTS。HTS冷端連接在磁體上，由低溫磁體對(duì)其冷卻。常導(dǎo)銅引線上熱端傳導(dǎo)漏熱以及通電后的焦耳熱都要經(jīng)連接銅塊后再傳遞到銅脖上。

由于在實(shí)際工藝中冷卻管纏繞銅脖時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全的理想接觸，因此需采用導(dǎo)冷組件來(lái)傳遞熱量。纏繞在銅脖上的兩根冷卻管均為低溫氦氣入口段，而出口段避開(kāi)了銅脖，這樣避免了冷屏上其他熱負(fù)載對(duì)電流引線的影響。由于HTS的冷端與磁體在降溫過(guò)程中會(huì)有相對(duì)位置改變，采用柔性導(dǎo)冷帶將其冷端與磁體連接進(jìn)行冷卻。二元電流引線的冷卻方案示意如圖2所示。

圖2 二元電流引線冷卻設(shè)計(jì)示意圖1-常導(dǎo)銅引線，2-連接銅塊，3-高溫超導(dǎo)引線，4-超導(dǎo)線圈引線，5-冷卻管（45 K），6-氮化鋁，7-銅脖，8-導(dǎo)冷銅塊，9-導(dǎo)冷帶，10-磁體固定框（4.2 K），11-磁體Fig.2 Schematic diagram of cooling design for binary current lead1-Normal conductive copper lead,2-Connecting block,3-HTS,4-Superconducting wire,5-Cooling tube(45 K),6-AlN block,7-Copper neck,8-Thermal conduction copper block,9-Thermal conduction belt,10-Magnets fixture(4.2 K),11-Magnet

導(dǎo)冷組件由導(dǎo)冷銅塊、銅脖以及氮化鋁片組成。銅脖通過(guò)對(duì)稱(chēng)的4套螺栓組件固定在冷屏上、接觸面很小，這樣避免了冷屏與銅脖之間的相互熱影響；一系列不同規(guī)格的導(dǎo)冷銅塊填實(shí)銅脖和冷卻管之間的縫隙；氮化鋁片裝夾在銅脖和連接銅塊之間用以電絕緣，并且其導(dǎo)熱系數(shù)高［12］、導(dǎo)冷效果好。為了減少中間傳熱接觸面的數(shù)量，銅脖是在一個(gè)整塊無(wú)氧銅毛坯上切割而成的外壁圓形、內(nèi)壁多邊形結(jié)構(gòu)，這樣氮化鋁片可直接貼合在銅脖的內(nèi)壁平面上。設(shè)計(jì)時(shí)將10根電流引線在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)上位置要求的同時(shí)盡量均布在冷卻銅脖上以均散熱量。冷卻組件結(jié)構(gòu)以及二元電流引線在恒溫器內(nèi)的安裝情況如圖3所示。

圖3 電流引線的冷卻結(jié)構(gòu)(a)導(dǎo)冷組件結(jié)構(gòu)，(b)高溫超導(dǎo)引線（HTS）連接，(c)引線連接Fig.3 Cooling structure of current lead(a)Structure of thermal conduction assembly,(b)HTS connecting,(c)Copper leads connecting

3 二元電流引線熱負(fù)載及溫度仿真

對(duì)于45 K溫區(qū)，二元電流引線產(chǎn)生的熱負(fù)載主要包括：1）常導(dǎo)銅引線的熱端以熱傳導(dǎo)方式產(chǎn)生的漏熱；2）常導(dǎo)銅引線在通電流后產(chǎn)生的焦耳熱。由真空罐對(duì)電流引線產(chǎn)生的輻射熱相對(duì)很小，計(jì)算中不作考慮。

擬選用低溫氦氣的工作參數(shù)如表1所示。其中，密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)以及粘滯系數(shù)數(shù)值參考美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）WebBook公布。氦氣冷卻管由Al5083材料拉制而成，其內(nèi)徑為20 mm、壁厚3 mm。低溫氦氣與冷卻管之間的傳熱屬于單相強(qiáng)制對(duì)流換熱，且管內(nèi)氦氣已處于充分發(fā)展的湍流狀態(tài)。參考式（1）～（3）［13］來(lái)估算管壁上的平均對(duì)流換熱系數(shù)：

表1 低溫氦氣的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of low-temperature helium gas

式中：h為對(duì)流換熱系數(shù)；Nu為努塞爾數(shù)；Re為雷諾系數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；d為冷卻管內(nèi)徑；u為氦氣流速；v為運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)；μL為動(dòng)力粘滯系數(shù)；ρL為氦氣密度；Cp為氦氣比熱容。最后算得冷卻管內(nèi)壁上的平均對(duì)流換熱系數(shù)約為418 W·m-2·K-1。

10根二元電流引線中，有8根大負(fù)載引線通400 A電流、2根小負(fù)載引線通50 A電流。根據(jù)冷屏與真空罐之間的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)系設(shè)定常導(dǎo)銅引線的長(zhǎng)度為400 mm，這樣其橫截面積就決定了由熱傳導(dǎo)和電阻產(chǎn)生的總熱負(fù)載。在穩(wěn)態(tài)熱平衡狀態(tài)下，銅引線上經(jīng)過(guò)任一截面的總熱流量與內(nèi)熱源應(yīng)滿(mǎn)足式（4）［14］：

式中：k為銅的導(dǎo)熱系數(shù)；ρ為銅的電阻率；A為橫截面積；I為電流；T為溫度；x為任一橫截面以常導(dǎo)銅引線熱端為0點(diǎn)的長(zhǎng)度坐標(biāo)值。銅引線上任一橫截面的熱流量由式（5）［14］表示：

由于常導(dǎo)銅引線上的溫度沿著軸線方向上變化，而ρ、k又隨著溫度而變化，式（1）和式（2）很難直接求得解析解。利用ANSYS中的熱電耦合模塊來(lái)對(duì)銅引線熱負(fù)載進(jìn)行仿真優(yōu)化。由于銅脖與冷屏之間熱傳遞量非常小，在仿真時(shí)只考慮常導(dǎo)銅引線、連接銅塊、銅脖、冷卻管以及低溫氦氣之間的傳熱。結(jié)合材料實(shí)際獲取的難易度，選擇了6組線徑分別為5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm、10 mm的銅引線模型進(jìn)行仿真。

仿真中將剩余電阻率比值（Residual Resistivity Ratio，RRR）為80的銅物性加載到銅引線、銅脖以及導(dǎo)冷銅塊模型上，利用CRYOCOMP軟件［15］得到導(dǎo)熱系數(shù)以及電阻率如圖4所示。冷卻管上各部分溫差很小，仿真中其導(dǎo)熱系數(shù)在50 K左右下選取定值為40 W·m-1·K-1（數(shù)值參考NIST公布）。

圖4 RRR=80銅的導(dǎo)熱系數(shù)和電阻率變化曲線Fig.4 Variation curve of thermal conductivity and resistivity of copper(RRR=80)

仿真中對(duì)引線冷卻結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化：以弧面圓環(huán)替代銅脖一周的導(dǎo)冷銅塊，該圓環(huán)兩側(cè)的弧面分別與銅脖和冷卻管模型貼合，中心厚度選取為實(shí)際導(dǎo)冷銅塊中的最大值3 mm；兩個(gè)半圓管替代冷卻管，圓管截面尺寸與冷卻管一致。仿真模型上加載的邊界條件如圖5所示。最后仿真得到不同常導(dǎo)銅引線直徑下熱負(fù)載情況如圖6所示。

圖5 電流引線冷卻結(jié)構(gòu)仿真邊界條件Fig.5 Simulation boundary conditions for cooling structure of current lead

圖6 不同直徑銅引線下的熱負(fù)載Fig.6 Heat load of copper leads with different diameter

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出：1）在這6個(gè)規(guī)格中線徑7 mm的銅引線總熱負(fù)載最小，為212 W；2）線徑大于等于7 mm時(shí)銅引線上的漏熱比焦耳熱大，線徑小于等于6 mm時(shí)漏熱比焦耳熱小。結(jié)合以上兩點(diǎn)可知，理論上最優(yōu)的線徑介于6～7 mm之間，此線徑下漏熱和焦耳熱相同、總熱負(fù)載最小，并從圖6上可以推出最小熱負(fù)載應(yīng)在200 W左右。由于線徑在6～8 mm區(qū)間的總熱負(fù)載相差并不大，考慮到項(xiàng)目的工程進(jìn)度，最后選擇廠家現(xiàn)成的直徑8 mm無(wú)氧銅線作為SCU樣機(jī)的常導(dǎo)引線。仿真得該10根常導(dǎo)銅引線產(chǎn)生的總熱負(fù)載為228 W，其中漏熱175 W、焦耳熱53 W。二元電流引線、銅脖在無(wú)電流和滿(mǎn)電流情況下的溫度分布如圖7所示。為了清楚地顯示電流引線及銅脖上的溫度分布，圖7中隱藏了冷卻管的溫度。

圖7 引線冷卻結(jié)構(gòu)溫度分布(a)無(wú)電流，(b)滿(mǎn)電流Fig.7 Temperature distribution of cooling structure of current leads(a)With no current,(b)With full current

從仿真中得到的幾個(gè)主要溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。從表2看出，滿(mǎn)電流下HTS熱端（常導(dǎo)銅引線與連接銅塊的接頭處）平均溫度與低溫氦氣之間的溫差近8 K。

表2 仿真得引線冷卻結(jié)構(gòu)主要溫度Table 2 Main simulated temperature of cooling structure of current leads

4 二元電流引線降溫通電測(cè)試

為了檢驗(yàn)二元電流引線的冷卻方案，在磁體正式裝入恒溫器之前，對(duì)二元電流引線進(jìn)行了降溫通電測(cè)試。整套測(cè)試裝置主要由恒溫器、制冷系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、溫度監(jiān)測(cè)以及失超保護(hù)系統(tǒng)組成。

電流引線安裝在恒溫器內(nèi)的銅脖上，通過(guò)電極法蘭與外電纜連通。HTS上布置了電壓監(jiān)測(cè)，一旦HTS失超其兩端便會(huì)產(chǎn)生電壓，繼而引起失超保護(hù)系統(tǒng)響應(yīng)并自動(dòng)關(guān)閉電源。由于恒溫器內(nèi)還沒(méi)有裝入磁體、HTS的冷端沒(méi)有連接低溫超導(dǎo)磁體的引線，為此制作了5根輔助超導(dǎo)件將10根HTS的冷端成對(duì)連接起來(lái)以形成電流回路。每根輔助超導(dǎo)件由4根超導(dǎo)帶材焊接在一個(gè)4面有凹槽的銅條上制得。利用輔助超導(dǎo)件來(lái)連接HTS可降低通電中產(chǎn)生的焦耳熱。導(dǎo)冷銅帶將HTS冷端與冷屏連接起來(lái)以冷卻輔助超導(dǎo)件與HTS的接頭。HTS冷端在測(cè)試中的連接情況如圖8所示。

圖8 HTS冷端在測(cè)試狀態(tài)時(shí)的電連接Fig.8 Electric connection of HTS cold end in the cryostat test

制冷系統(tǒng)由1臺(tái)斯特林制冷機(jī)、1個(gè)氦氣閥箱和若干低溫傳輸管線組成。閥箱與制冷機(jī)之間有1道回路進(jìn)行氦氣循環(huán)制冷。從閥箱引出4根低溫傳輸管線連接到恒溫器冷屏上的兩根冷卻管上，形成兩道氦氣冷卻回路。在測(cè)試中制冷系統(tǒng)提供的低溫氦氣溫度為45 K、流量19～20 g·s-1、壓力0.4 MPa。降溫通電的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)情況如圖9所示。

圖9 電流引線降溫通電測(cè)試Fig.9 Cooling and powering test for current leads

測(cè)試中選用了Lake Shore公司型號(hào)分別為CX-1030-CU和PT-103-AM的兩種溫度傳感器。其中，CX-1030-CU傳感器的測(cè)量范圍為2～325 K，布置在靠近10根HTS熱端處以及銅脖內(nèi)、外壁上；PT-103-AM傳感器的測(cè)量范圍為14～873 K，安裝在兩根冷卻管的進(jìn)、出口以及冷屏上。銅脖內(nèi)、外壁在周向上各等間隔地布置了3個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器處于兩根引線連接銅塊之間。在45 K溫區(qū)下這兩種型號(hào)的傳感器校準(zhǔn)精度都好于±30 mK，然而安裝表面的潔凈度和平面度、安裝壓力大小以及螺釘材料等因素都會(huì)影響到最終的測(cè)量精度。

測(cè)試中10根電流引線的編號(hào)設(shè)定為從HTS1到HTS10。連接成通電回路的HTS依次為：HTS1-HTS2、HTS3-HTS4、HTS5-HTS6、HTS7-HTS8、HTS9-HTS10，其中前4對(duì)加載400 A大電流，最后一對(duì)加載50 A小電流。測(cè)試中電流引線在銅脖上的分布如圖10所示。

圖10 測(cè)試中10根電流引線在銅脖上的分布Fig.10 Layout of 10 current leads on the copper neck in test

5 測(cè)試結(jié)果及分析

降溫過(guò)程中10根HTS熱端的溫度變化曲線如圖11（a）所示。HTS熱端平均溫度與冷卻管入口處溫度、銅脖平均溫度對(duì)比曲線如圖11（b）所示。

通電過(guò)程中10根HTS熱端的溫度變化曲線如圖12（a）所示。HTS熱端平均溫度與冷卻管入口處溫度、銅脖平均溫度對(duì)比曲線如圖12（b）所示。

從圖11（a）的降溫曲線中看出，10根HTS在降溫5 h后溫度已基本穩(wěn)定。其中HTS2熱端溫度71 K、HTS6熱端溫度78.4 K，其他HTS熱端測(cè)得溫度分布在56.4～62.4 K。不計(jì)HTS6算得其他9個(gè)HTS熱端溫度平均值為61.8 K。從圖11（b）溫度對(duì)比曲線中看出，銅脖與冷卻管入口處之間平均溫差ΔT1為5.2 K、HTS熱端與銅脖之間平均溫差ΔT2為11.6 K。出現(xiàn)這樣情況原因如下：銅脖外壁一圈布滿(mǎn)了導(dǎo)冷銅塊并與冷卻管接觸，導(dǎo)熱面積大；又因?yàn)殂~的導(dǎo)熱系數(shù)大，由引線連接銅塊傳遞到銅脖上的熱量很快散開(kāi)，溫度分布比較均勻。而引線的連接銅塊離散分布在銅脖內(nèi)壁上，并且熱量只是通過(guò)連接銅塊與銅脖之間一層導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低的氮化鋁片傳遞。因此在傳遞熱量相同的情況下ΔT1要比ΔT2小了很多。

圖11 降溫過(guò)程中HTS熱端溫度變化(a)，HTS熱端平均溫度、冷卻管入口處溫度以及銅脖平均溫度對(duì)比(b)Fig.11 Temperature curves of HTS hot end during cooling down(a),average temperature comparison of HTS hot end,cooling tube entrance and copper neck(b)

從圖12（a）中看出：1）電流在40 min時(shí)間內(nèi)從0 A到滿(mǎn)載（4對(duì)400 A、1對(duì)50 A）過(guò)程中，HTS熱端溫度成近似拋物線趨勢(shì)升高。滿(mǎn)載下維持30 min后，溫度基本上都已達(dá)到平衡，且電流引線均正常工作。2）兩根小負(fù)載引線HTS9、HTS10熱端較之于通電之前溫升分別為1.6 K、2 K；8根大負(fù)載引線HTS中，熱端最小和最大溫升分別為1.6 K、4.8 K，可見(jiàn)，大、小負(fù)載引線上的熱端溫度在加滿(mǎn)電流后依然差別不大。從圖12（b）中看出，9根HTS（不計(jì)讀數(shù)偏大的HTS6）的熱端平均溫升2.9 K，這說(shuō)明引線的焦耳熱相對(duì)較小，主要熱量來(lái)源于常導(dǎo)銅引線段的漏熱；通電后ΔT1、ΔT2分別為6.9 K、12.1 K，較通電前提升量分別為1.7 K、0.5 K。ΔT1比ΔT2提升量大說(shuō)明通電對(duì)冷卻管入口處溫度影響很小。另外，通電前測(cè)量值較高的HTS2、HTS6熱端溫度分別從71 K、78.5 K提升到75.8 K、80.5 K。這兩根大負(fù)載HTS在滿(mǎn)載情況下均沒(méi)有失超，且溫度讀數(shù)隨電流變化的響應(yīng)正常，推斷這兩個(gè)測(cè)量值偏高的原因是溫度探頭沒(méi)有安裝好導(dǎo)致。

圖12 通電過(guò)程中HTS熱端溫度變化(a)，HTS熱端平均溫度、冷卻管入口處溫度以及銅脖平均溫度對(duì)比(b)Fig.12 Temperature curves of HTS hot end during powering up(a),comparison of average temperature of HTS hot end,temperature in cooling tube entrance,and temperature in copper neck(b)

在仿真與測(cè)試兩種情況下銅脖溫度相近，而實(shí)測(cè)的HTS熱端溫度比仿真時(shí)高了近11 K，主要因?yàn)榉抡鏁r(shí)忽略了氮化鋁片兩側(cè)接觸面熱阻影響，實(shí)際中相關(guān)導(dǎo)冷部件接觸面的加工、裝配質(zhì)量并沒(méi)有達(dá)到理想要求；另外仿真與實(shí)際使用材料的物性差別、測(cè)量誤差等也起到影響。

由于測(cè)量誤差、測(cè)量點(diǎn)有限等因素影響，很難獲得銅脖上準(zhǔn)確的熱負(fù)載，在此進(jìn)行了估算：測(cè)試中得到閥箱上氦氣進(jìn)、出口溫差為2.4 K，據(jù)此將纏繞銅脖上的冷卻管內(nèi)氦氣平均溫度視作（實(shí)際低于）47.4 K。另外，纏繞在銅脖一周的冷卻管段與銅脖之間利用中心壁厚僅1～3 mm的弧面銅塊連接，傳熱面積大、距離短，因此銅脖與纏繞其上的冷卻管段之間溫差很小。將該段管內(nèi)壁溫度近似于銅脖平均溫度52.6 K，這樣氦氣與管壁之間平均溫差ΔT為5.2 K。利用氦氣與管壁之間的換熱系數(shù)、冷卻管內(nèi)表面面積以及氣、壁之間溫差，根據(jù)式（6）［13］可推算熱負(fù)載值。

式中：h為冷卻管內(nèi)壁換熱系數(shù)418 W·m-2·K-1；S為兩根冷卻管纏繞銅脖一周的總內(nèi)壁面積0.086 m2。最后算得銅脖上的熱負(fù)載P為187 W。

顯然上述方法推算的熱負(fù)載偏低。另外利用閥箱上氦氣的進(jìn)、出口2.4 K溫差、20 g·s-1流量，不計(jì)低溫傳輸管線的漏熱，根據(jù)比熱容公式可推算出在銅脖和冷屏上產(chǎn)生的總熱負(fù)載約為251 W，由此可知，銅脖上的熱負(fù)載應(yīng)低于此值。

6 結(jié)語(yǔ)

不同于目前國(guó)際上其他SCU利用制冷機(jī)冷頭冷卻電流引線的形式，針對(duì)SHINE SCU樣機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了低溫氦氣冷卻管對(duì)二元電流引線進(jìn)行集中導(dǎo)冷式冷卻方案；利用安裝在冷屏中部的導(dǎo)冷組件來(lái)傳導(dǎo)銅引線上產(chǎn)生的熱量；通過(guò)仿真優(yōu)化了銅引線的熱負(fù)載，結(jié)合工程實(shí)況選定常導(dǎo)銅引線直徑為8 mm并算得銅脖上產(chǎn)生的總熱負(fù)載為228 W。該SCU樣機(jī)的恒溫器研制出來(lái)后進(jìn)行了降溫通電測(cè)試。從測(cè)試結(jié)果看，加滿(mǎn)電流后所有二元電流引線均能正常工作。實(shí)測(cè)HTS熱端與低溫氦氣之間低于20 K的溫差符合工程預(yù)期效果，并根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)推算電流引線熱負(fù)載值范圍在187～251 W。測(cè)試結(jié)果表明：電流引線的冷卻方案可行，在現(xiàn)有的制冷條件下足以保證該SCU樣機(jī)上的二元電流引線正常運(yùn)行。

作者貢獻(xiàn)聲明湯啟升：負(fù)責(zé)整體方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化、試驗(yàn)部件的制造、數(shù)據(jù)的整理和分析、文章起草和最終版本的修訂；周巧根：負(fù)責(zé)整體方案設(shè)計(jì)校核、文章校核；吳騰馬：負(fù)責(zé)試驗(yàn)條件的準(zhǔn)備；張繼東：負(fù)責(zé)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集；樊凱：負(fù)責(zé)加工圖紙的繪制、試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)管理；丁祎：負(fù)責(zé)試驗(yàn)部件的制造；文雍梅：負(fù)責(zé)加工圖紙的繪制。