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高温超导带材低/变温疲劳性能测试系统的研制 被引量:5
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作者 潘远洲 何天虎 +1 位作者 辛灿杰 关明智 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2020年第11期248-256,共9页
实用化高温超导带材(如Bi系与ReBCO高温超导复合带材)在高磁场下拥有较高的临界电流密度、宽泛的温度裕度、较强的抗粒子辐照能力及良好的机械特性,因此这类材料在加速器超导磁体系统、高场超导磁体、超导电力等方面表现出巨大的应用潜... 实用化高温超导带材(如Bi系与ReBCO高温超导复合带材)在高磁场下拥有较高的临界电流密度、宽泛的温度裕度、较强的抗粒子辐照能力及良好的机械特性,因此这类材料在加速器超导磁体系统、高场超导磁体、超导电力等方面表现出巨大的应用潜力。而作为典型的多层功能复合性材料,虽然高强度的基底层增强了高温超导带材拉伸强度,使其在强磁场、高载流条件下可以承受很高的应力,在其加工与运行过程中,不可避免地受到多种疲劳载荷的作用,从而其临界载流能力会显著地降低,进一步,会造成相应高温超导装置功能性难以达到设计标准等。该文介绍一种自主研制的高温超导带材低/变温疲劳性能测试系统,基于该测试系统:一方面,可以实现对高温超导材料在低/变温、疲劳载荷等环境下力学、热学等宏观参数的实验表征研究;另一方面,可以对高温超导材料开展低温疲劳载荷环境下力-电弱化等临界特性的实验研究。利用所研制的低/变温疲劳性能测试系统,对受拉-压疲劳荷载下的YBCO超导带材的力学行为、载流特性开展了初步的实验研究,并分析了应力比、温度等外部环境因素对实验结果的影响规律等。结果表明:在相同的疲劳次数的情况下,YBCO超导带材的力学性能及载流特性与其应力比成明显的非线性关系。该测试系统的成功研制将为中国粒子加速器用高温超导磁体的设计与研发提供基础测试平台。 展开更多
关键词 高温超导带材 低温疲劳测试系统 力学特性 载流特性 应力比
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Experimental Measurements of the Sensitivity of Fiber-optic Bragg Grating Sensors with a Soft Polymeric Coating under Mechanical Loading,Thermal and Magnetic under Cryogenic Conditions 被引量:2
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作者 关明智 王省哲 +2 位作者 辛灿杰 周又和 马力祯 《Chinese Physics Letters》 SCIE CAS CSCD 2015年第1期140-144,共5页
The strain and temperature sensing performance of fiber-optic Bragg gratings (FBGs) with soft polymeric coating, which can be used to sense internal strain in superconducting coils, are evaluated under variable cryo... The strain and temperature sensing performance of fiber-optic Bragg gratings (FBGs) with soft polymeric coating, which can be used to sense internal strain in superconducting coils, are evaluated under variable cryogenic field and magnetic field. The response to a temperature and strain change of coated-soft polymeric FBGs is tested by comparing with those of coated-metal FBGs. The results indicate that the coated-soft polymeric FBGs can freely detect temperature and thermal strain, their At variable magnetic field, the tested results indicate accuracy and repeatability are also discussed in detail. that the cross-coupling effects of FBGs with different matrixes are not negligible to measure electromagnetic strain during fast excitation. The present results are expected to be able to provide basis measurements on the strain of pulsed superconducting magnet/cable (cable- around-conduit conductors, cable-in-conduit conductors), independently or utilized together with other strain measurement methods. 展开更多
关键词 FBG net Experimental Measurements of the Sensitivity of Fiber-optic Bragg Grating Sensors with a Soft Polymeric Coating under Mechanical Loading Thermal and Magnetic under Cryogenic Conditions
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Mechanical Analysis and Measurements of a Multicomponent NbTi/Cu Superconducting Magnets Structure for the Fully Superconducting Electron Cyclotron Resonance Ion Source 被引量:1
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作者 关明智 胡强 +6 位作者 高配峰 王省哲 杨通军 吴巍 辛灿杰 吴北民 马力祯 《Chinese Physics Letters》 SCIE CAS CSCD 2016年第5期135-139,共5页
A fully superconducting electron cyclotron resonance (ECR) ion source (SECRAL ID is currently being built in the Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences. Its key components are three superconductin... A fully superconducting electron cyclotron resonance (ECR) ion source (SECRAL ID is currently being built in the Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences. Its key components are three superconducting solenoids (Nb-Ti/Cu) and six superconducting sextupoles (Nb-Ti/Cu). Different from the conventional supercon- ducting ECR magnetic structure, the SEC17AL Ⅱ includes three superconducting solenoid coils' that are located inside the superconducting sextupoles. The SECRAL Ⅱ can significantly reduce the interaction forces between the sextupole and the solenoids, and the magnets can also be more compact in size. For this multi-component SECRAL Ⅱ generating its self field of -8 T and being often exposed to the high self field, the mechanical analysis has become the main issue to keep their stress at 〈200 MPa on coils. The analytical and experimental results in mechanics are presented in the SECRAL Ⅱ structure. To improve the accuracy and efficiency of analysis, according to the composite rule of micromechanics, the equivalent uniform windings are used to simulate the epoxy-impregnated Nb-Ti/Cu coils. In addition, using low temperature strain gauges and a wireless fast strain acquisition system, a fundamental experiment on the based on our analysis, the stresses and deformations optimized. strains developments of a sextupole is reported. Finally, for its assembly of each SECRAL Ⅱ coil will be further 展开更多
关键词 of on IS as NBTI Mechanical Analysis and Measurements of a Multicomponent NbTi/Cu Superconducting Magnets Structure for the Fully Superconducting Electron Cyclotron Resonance Ion Source in for Cu
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液氮低温环境下电阻应变片测试性能的试验研究 被引量:5
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作者 关明智 王省哲 +1 位作者 马力祯 辛灿杰 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2012年第11期350-354,共5页
分别采用低温电阻应变片及拉线式位移传感器的电测技术,该文开展了液氮浸泡下的悬臂梁结构在静载条件下的应变测量。对两种实验测试结果和理论分析结果进行了对比和精度分析,给出了相应的实验标定曲线,并探讨了测量过程中应变片粘接、... 分别采用低温电阻应变片及拉线式位移传感器的电测技术,该文开展了液氮浸泡下的悬臂梁结构在静载条件下的应变测量。对两种实验测试结果和理论分析结果进行了对比和精度分析,给出了相应的实验标定曲线,并探讨了测量过程中应变片粘接、电桥连接方式、液氮冷却和数据采集对实验结果精度的影响因素等。结果表明:在采用温度补偿和应变片的正确粘贴和良好固化情形下,低温应变片能够在液氮低温区给出较高精度的应变测量;拉线式位移传感器几乎不受低温的影响,测量简单易行。相关技术和结果将为中科院近代物理研究所自主研制的兰州潘宁离子阱7T超导磁体的低温下应变测量提供方法和指导。 展开更多
关键词 应变测量 低温电阻应变片 液氮冷却 无线信号采集 位移传感器
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Nb_(3)Sn六极复合超导磁体测试全过程的实时分布式应变检测:从组装到励磁
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作者 王省哲 杨韬略 +6 位作者 关明智 辛灿杰 吴北民 吴魏 孙良亭 赵红卫 周又和 《Acta Mechanica Sinica》 SCIE EI CAS CSCD 2024年第4期78-88,共11页
六极Nb_(3)Sn超导磁体系统是第四代电子回旋共振离子源(FECR)中的核心部件.这些超导磁体处于高磁场、超低温以及高应力的极端运行环境,由此关联的磁体应力/应变特征和行为的精确表征对于确保系统可靠性和最优功能实现极具重要意义.传统... 六极Nb_(3)Sn超导磁体系统是第四代电子回旋共振离子源(FECR)中的核心部件.这些超导磁体处于高磁场、超低温以及高应力的极端运行环境,由此关联的磁体应力/应变特征和行为的精确表征对于确保系统可靠性和最优功能实现极具重要意义.传统的单点应变测量技术仅能实现局部小区域的测量,并且存在显著的电磁干扰等,这些局限性严重影响了测量精度和可靠性,使得大型复杂超导磁体极端多场下的力学测量面临着诸多挑战.本文建立了低温极端多场下的光纤测量新技术,可实现六极复合超导磁体的实时、分布式应变测量.该测量系统基于光频域反射技术(OFDR)和高空间分辨率分布式光纤技术,首次实现了超导磁体系统的组装、冷却、励磁及失超全过程中应变状态的实时监测.相关结果有效揭示了超导磁体在整个运行过程中的全局应变特性,如磁体内部全局应变状态的非对称分布现象等.本文研究对于超导磁体研制中的实时和全局力学性能监测和评估提供了有效途径. 展开更多
关键词 超导磁体 励磁 应变状态 失超 力学测量 分布式光纤 电磁干扰 应变特性
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第四代ECR(电子回旋共振)离子源高场Nb_(3)Sn磁体1/2长度样机的研制
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作者 孙良亭 吴巍 +11 位作者 吴北民 陈玉泉 朱丽 欧贤金 郑石钧 梅恩铭 关明智 辛灿杰 王旭东 卢旺 任文辉 赵红卫 《Acta Mechanica Sinica》 SCIE EI CAS CSCD 2024年第4期61-77,共17页
中国科学院近代物理研究所正在研发第四代ECR(电子回旋共振)离子源FECR(first 4th generation ECR ion source).以20 kW/45 GHz微波加热运行为目标,需要研制Nb_(3)Sn超导磁体以实现对所加热等离子体的有效磁场约束.作为首台采用Nb_(3)S... 中国科学院近代物理研究所正在研发第四代ECR(电子回旋共振)离子源FECR(first 4th generation ECR ion source).以20 kW/45 GHz微波加热运行为目标,需要研制Nb_(3)Sn超导磁体以实现对所加热等离子体的有效磁场约束.作为首台采用Nb_(3)Sn超导磁体技术的ECR离子源,FECR的主磁场线圈由4套独立的轴向螺线管线圈与1套径向六极线圈所构成,且均采用单股Nb_(3)Sn线绕制而成,这给线圈的加工、冷体装配、磁体的失超保护等环节带来一系列挑战.为使磁体能在高场、高应力作用下安全稳定运行,项目采用基于铝壳体结构与bladder&key的预紧应力控制技术,完成了一套半尺寸冷体样机的研发.该样机已完成4.2 K低温测试.本项研究的核心关键问题与挑战是如何在复杂的高精度机械装配与高电流强磁场励磁过程中实现对易碎Nb_(3)Sn导线的有效保护.本篇文章中,我们将阐述如何设计、研制、装配及测试工作于复杂磁场与应力环境的高性能Nb_(3)Sn六极磁铁.针对于单个六极线圈的测试,我们设计研发了一种称为“Mirror”结构的测试工装.论文中会详细论述基于壳层结构与bladder&key的装配预紧技术在半尺寸样机上的应用效果.同时,论文对在半尺寸样机上观察到的强烈磁通跳跃现象和它对失超探测保护的严峻挑战问题及相关解决或规避方案进行相关论述. 展开更多
关键词 超导磁体 磁通跳跃 电子回旋共振 绕制 测试工装 机械装配 壳层结构 离子源
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FECR超导离子源Nb3Sn磁体半长度样机的结构分析 被引量:1
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作者 朱丽 吴巍 +6 位作者 孙良亭 俞树荣 陈玉泉 吴北民 梅恩铭 辛灿杰 关明智 《稀有金属材料与工程》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2020年第9期3177-3181,共5页
中国科学院近代物理研究所正在研制运行于45 GHz的世界首台第4代电子回旋共振离子源(fourth electron cyclotron resonance,FECR)。该离子源磁体线圈全部采用Nb3Sn(铌三锡)超导材料制作,这一超导材料临界性能对应力敏感,加之磁体中六极... 中国科学院近代物理研究所正在研制运行于45 GHz的世界首台第4代电子回旋共振离子源(fourth electron cyclotron resonance,FECR)。该离子源磁体线圈全部采用Nb3Sn(铌三锡)超导材料制作,这一超导材料临界性能对应力敏感,加之磁体中六极线圈和螺线管线圈之间的应力不平衡分布,导致磁铁机械结构设计面临极大挑战。为了验证离子源磁铁结构设计的合理性和仿真结果的可信性,为全尺寸真机的研制奠定技术基础,设计了能够一定程度上反映离子源磁体机械结构的半长度样机。主要介绍了FECR半长度样机的三维机械结构分析,借助ANSYS有限元软件分析了磁铁在室温组装、冷却降温和加电励磁时的应力分布和变化情况,为磁体装配提供预应力参考。 展开更多
关键词 FECR离子源 NB3SN 六极线圈 螺线管 ANSYS 应力
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金属压力囊与应变测量技术在异型超导磁体结构装配过程中的应用研究 被引量:2
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作者 吴北民 辛灿杰 +1 位作者 关明智 吴巍 《实验力学》 CSCD 北大核心 2020年第1期127-134,共8页
为了研究异型超导磁体结构预应力施加及其应变控制性测量等问题,基于自主集成的气压-水压混合高压增压系统,结合电阻应变片与非接触式DIC(Digital Image Correlation)全场应变测量方法,本文提出了一种超导磁体结构装配后预应力施加与应... 为了研究异型超导磁体结构预应力施加及其应变控制性测量等问题,基于自主集成的气压-水压混合高压增压系统,结合电阻应变片与非接触式DIC(Digital Image Correlation)全场应变测量方法,本文提出了一种超导磁体结构装配后预应力施加与应变测量控制技术。为了验证研制系统及其应变测量的可靠性和准确性,模拟超导二极线圈结构,自制了一套带有铝壳约束的铁质二极结构,对其进行装配后的预应力施加与应变测量,即:在二极结构内部放置一种自主研制的类似千斤顶设备--用薄钢板制成的长方形金属压力囊(称Bladder),利用自制的高压增压系统将较高的水压打入压力囊中,通过其有限的位移对二极结构内部人为地施加均布压应力,最终到达为二极结构内部施加预应力的目的。在施加预应力过程中,运用电阻应变片与基于高速CCD(Charge Coupled Device)设备的非接触DIC技术,对二极结构外部的约束结构--铝壳进行实时的应变测量。多组重复性实验结果表明:高压增压系统可控水压范围为5~120MPa,步长为4MPa,可同步显示压力,并且在此范围内能够维持设定的压力恒定不变,误差控制在±1.5MPa以内;采用连续激光焊接技术自主研制的加宽型金属Bladder可在30MPa范围内循环使用8次以上;对于带有铝壳约束的铁质二极结构,其铝壳表面的应变与打压压强成线性关系,电阻应变片与非接触的CCD应变测试技术均能给出高精度的测量结果,且非接触的CCD应变测试技术可以给出打压过程中铝壳表面全场应变测试结果。相关设备、技术和结果将为中科院近代物理研究所自主研制的全Nb3Sn超导离子源装配后预应力施加以及应变控制性测量提供方法和指导。 展开更多
关键词 异型超导磁体结构 带有铝壳的铁质二极结构 金属压力囊 电阻应变片测量技术 数字图像相关测量技术
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CCT型超导磁体结构分析
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作者 周伦才 赵荣珍 +2 位作者 陈玉泉 梁羽 辛灿杰 《低温与超导》 CAS 北大核心 2021年第11期19-24,102,共7页
CCT(Canted-Cosine-Theta)型超导磁体为一种新型的磁体结构,它的导体轨迹符合一定的空间曲线方程,磁场则是由多层线圈组合而产生。超导线绕制在骨架的特定线槽中,导线之间由骨架隔开,以阻断电磁力的累积。利用磁体周期性轴向对称特点建... CCT(Canted-Cosine-Theta)型超导磁体为一种新型的磁体结构,它的导体轨迹符合一定的空间曲线方程,磁场则是由多层线圈组合而产生。超导线绕制在骨架的特定线槽中,导线之间由骨架隔开,以阻断电磁力的累积。利用磁体周期性轴向对称特点建立了有限元分析模型,对磁体在降温和加载电磁力作用下进行了结构分析,通过研制样机,首次在磁体内部埋入光纤光栅传感器以监测线圈内部温度和形变,测试结果与分析结果相吻合。 展开更多
关键词 CCT 超导磁体 光纤光栅传感器
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基于分体式超导磁体结构的应变测量实验研究
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作者 张永杰 辛灿杰 +1 位作者 何天虎 关明智 《低温与超导》 CAS 北大核心 2023年第5期15-21,55,共8页
基于低温电阻应变片和单模光纤应变测量原理,搭建了针对极端环境下光-电综合应变测量系统,开展了极低温-电磁场环境下5 T分体式超导磁体结构力学测量的实验研究,得到了超导磁体从降温、励磁(失超)到回温全过程的应变测量结果与演化规律... 基于低温电阻应变片和单模光纤应变测量原理,搭建了针对极端环境下光-电综合应变测量系统,开展了极低温-电磁场环境下5 T分体式超导磁体结构力学测量的实验研究,得到了超导磁体从降温、励磁(失超)到回温全过程的应变测量结果与演化规律等。结果表明:在5 T分体式超导磁体运行的全过程中,运用该应变测量系统可以实现极端低温环境下高精度的应变测量,与传统单点式测量技术不同,发展的二维分布式应变测量技术可直观的观察到磁体在测试过程中结构的全局变化。 展开更多
关键词 电阻应变片 单模光纤 低温-电磁场环境 超导磁体结构 分布式应变测量
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Design of a conduction-cooled 4 T superconducting racetrack for a multi-field coupling measurement system
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作者 陈玉泉 马力祯 +4 位作者 吴巍 关明智 吴北民 梅恩铭 辛灿杰 《Chinese Physics C》 SCIE CAS CSCD 2015年第12期109-112,共4页
A conduction-cooled superconducting magnet producing a transverse field of 4 T has been designed for a new generation multi-field coupling measurement system, which will be used to study the mechanical behavior of sup... A conduction-cooled superconducting magnet producing a transverse field of 4 T has been designed for a new generation multi-field coupling measurement system, which will be used to study the mechanical behavior of superconducting samples at cryogenic temperatures and intense magnetic fields. A compact cryostat with a two-stage GM cryocooler is designed and manufactured for the superconducting magnet. The magnet is composed of a pair of flat racetrack coils wound by NbTi/Cu superconducting composite wires, a copper and stainless steel combinational former and two Bi2Sr2CaCu20~ superconducting current leads. The two coils are connected in series and can be powered with a single power supply. In order to support the high stress and attain uniform thermal distribution in the superconducting magnet, a detailed finite element (FE) analysis has been performed. The results indicate that in the operating status the designed magnet system can sufficiently bear the electromagnetic forces and has a uniform temperature distribution. 展开更多
关键词 CONDUCTION-COOLED superconducting magnet multi-field coupling measurement system mechanical and thermal analysis
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