超導波蕩器模型機的研制范文

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《低溫與超導雜志》2016年第二期

摘要:

上海光源正在研制一臺低溫超導波蕩器模型機，周期數50，周期長度16mm，磁間隙8mm，目標峰值磁場0．88T。首先研制了一臺5周期超導波蕩器磁體模型機進行技術可行性研究。磁體繞組采用NbTi超導線，骨架加工采用電工純鐵。使用傳導冷卻的測試裝置進行了磁體降溫、通電與磁場測量。磁體經過兩次失超之后達到設計電流值387A。達到的最大電流為433A。當磁體穩定運行在400A時，測得磁場峰值為0．93T。研究結果表明已有的超導磁體關鍵技術與工藝能夠滿足50周期超導波蕩器模型機的研制需求。

關鍵詞:

超導波蕩器;超導磁體;鈮鈦超導線圈;光源插入件

1引言

第三代同步輻射光源普遍使用扭擺器和波蕩器等插入件以提高供光質量。超導技術已經被成功應用于扭擺器和波蕩器的研制中［1，2］。與永磁波蕩器和混合波蕩器相比，超導波蕩器在給定周期長度與磁間隙的情況下能產生更強的磁場，因此有助于提高同步輻射光的能量和亮度［3，4］。上海光源是一座第三代同步輻射光源設施，也是迄今為止中國最大的科學裝置，產生的同步輻射光應用于生物、化學、材料、環境等各個領域的科學研究。自2009年正式投入運行至今，上海光源的用戶數量已經超過4700人，分別來自世界范圍內200多個不同的大學、科研機構和企業。為進一步提高上海光源的供光質量，滿足日益增長的用戶需求，上海光源正在研制一臺50周期超導波蕩器(SCU)模型機［5，6］，主要參數如表1所示。超導磁體是超導波蕩器的核心部件之一。作為技術可行性研究，首先研制了5周期超導波蕩器磁體模型機(下文簡稱為5周期磁體)，本文報道其研制工作與成果。

2磁場設計

超導波蕩器磁體由形狀相同的兩部分組成，關于束流中心平面上下對稱放置，兩部分之間是束流真空室。每一部分由磁體骨架和一系列D形超導線圈組成，線圈單元繞制在極片與鐵芯組成的凹槽內，相鄰線槽內的電流方向相反。5周期磁體的線圈單元與極片數量分別是22與24。采用VectorFieldsOPERA軟件的TOSCA模塊進行了磁場模擬。為達到束流軸線上的目標磁場0．88T，擬采用從西部超導公司訂制的NbTi/Cu導線進行線圈繞制。表2列出NbTi/Cu導線的關鍵參數。極片和鐵芯材料采用電工純鐵DT4C的性能參數。模擬結果表明磁隙8mm時，束流軸線磁場峰值達到0．88T所需運行電流為387A。為使磁場的一次積分和二次積分接近為零，還對端部線圈進行了設計和模擬，結果如下:主線圈安匝數32093A，第一端線圈部安匝數24048A，第二端部線圈安匝數8116A。圖1是5周期磁體的磁場波形圖。圖2是5周期磁體的負特性曲線。當運行在387A時，超導線圈中的最大磁場為3．2T，負載率為83%。當磁體運行在387A電流和4．2K溫度時，估算得到溫度裕度約為0．7K，最小失超能量約為4HJ。

3磁體設計與加工

采用電工純鐵加工5周期磁體骨架。線槽截面積尺寸為5．08mm2×6．5mm2。線槽的底面與側面均使用厚度0．12mm的G10薄片作為絕緣材料。超導NbTi/Cu線繞制在方形截面的線槽中。繞線方案是采用單根導線從第1線槽開始繞制，向一個方向依次繞滿奇數號線槽，然后通過換向螺釘返回，依次繞滿偶數號線槽。第1和第2端部線槽匝數分別為21和62。其余線槽匝數為83，填充系數71%。使用環氧樹脂浸漬繞制完成的磁體。圖3是浸漬完成的5周期磁體實物與框架。

4測試裝置與測試結果

使用自制的小型超導磁體測試裝置進行5周期磁體的降溫與通電實驗。采用4．2K冷量為1W的G-M制冷機進行傳導冷卻。3對二極管“背靠背”的以銅板固定，與引能電阻串聯，然后連接到5周期磁體端部(低溫恒溫器外，室溫)以實現失超保護。圖4是5周期磁體的鍛煉曲線。經過2次失超鍛煉之后達到設計電流值387A。實驗達到最大電流值為433A。采用一套精密測量裝置進行了5周器磁體的磁場表征。測量裝置與低溫恒溫器相連。圖5是磁測裝置實物。使用霍爾探頭測量磁場曲線。精密機械平臺連接在低溫恒溫器側邊法蘭，驅動霍爾探頭沿磁體軸線水平運動。霍爾探頭由3個霍爾傳感器組成，1個安裝在磁體軸線，另外2個分別安裝在偏離軸線水平位移10mm的兩側，位置精度好于100mm。3個傳感器已在低溫進行標定，標定誤差小于10Gs。傳感器的平面平行于磁體中心平面以測量磁場垂直于中心平面的分量(By)。圖6是5周期磁體的磁場曲線。磁體穩定運行于400A時峰值磁場測得0．93T。圖7是峰值磁場與勵磁電流的關系曲線。目前未測量5周期磁體的磁場積分與相位誤差。磁場積分與相位誤差測量將在后續的10周期磁體模型機上進行。

5結論

上海光源設計研制了一臺超導波蕩器5周期磁體模型機，在傳導冷卻的小型測試裝置中進行了低溫通電實驗和磁場測量。獲得最大電流值為433A。獲得磁體穩定運行于400A時的峰值磁場0．93T。測試結果表明上海光源已經掌握研制超導波蕩器50周期模型機的關鍵技術與工藝。

作者：丁祎 許皆平 崔劍 張偉 王宏飛 席瑞成 殷立新 單位：中國科學院上海應用物理研究所