高温超导斜螺线管缆线磁体样机设计与开发

为研究Gantry磁体的关键技术,设计了一台由螺旋型超导集束缆线绕制的小型斜螺线管二极磁体样机。根据电磁设计,该样机的孔径82 mm,额定工作电流为3.25 kA,预计在4.2 K下达到0.50 T的中心二极场。在均匀电流假设下,Φ54 mm孔径内的磁场均匀度可达到1.47×10^(-3)。未来将完成超导缆线绕制,在77 K和4.2 K下进行电流和场均匀性测试。

基于斜螺线管型超导Gantry二极磁体设计

为了解决当前Gantry治疗装置面临的难题—磁体质量庞大,运行成本昂贵,提出了一种新型的斜螺线管型线圈结构。目前,已经完成了一台2.5 T用于重离子Gantry的NbTi超导磁体样机设计,与质子Gantry相比,其有效缩减了磁体的尺寸和质量。该磁体由10层斜螺线管线圈组成,工作电流为1000 A。线圈孔径为176 mm,其中好场区达到孔径的2/3。由于线圈形状的特殊性,其端部结构无需优化,各高阶谐波量沿轴向积分为零。磁体采用传导冷却的方式,保证其在旋转的情况下安全稳定运行。从斜螺线管线圈的概念出发,详细介绍斜螺线管型超导二极磁体的磁场设计,借助于ANSYS有限元分析软件,仿真了超导磁体和冷屏的空间温度场,得到磁体低温系统的热分布,最后简要介绍磁体的加工情况。

2.0T斜螺线管型超导二极磁体设计

基于一种新型的斜螺线管型线圈结构,我们设计了一台2.0T超导二极磁体样机。该磁体由4层斜螺线管线圈组成,工作电流为2960A。线圈孔径为40mm,其中好场区达到了孔径的2/3。由于线圈形状的特殊性,其端部结构无需优化,各高阶谐波量沿轴向积分为零。文中介绍了斜螺线管型线圈的特点和原理,借助两种电磁场分析软件,完成了超导二极磁体的磁场设计,最后简要介绍磁体的加工情况。

斜绕螺线管的磁场

本文采用毕奥-萨伐尔定律,应用矢量叠加原理,推导了斜绕螺线管的磁场的理论公式。首先,对较小螺距的单匝斜绕线圈的磁场进行了定量计算,绘制了对应的磁感应线分布图像,得到类似于单匝理想圆形线圈的磁场分布,验证了推导的公式和数值计算的正确性。然后,定量计算了外接导线下的单匝和多匝斜绕螺线管的磁场分布情况,详细讨论了线圈匝数密度、密集斜绕螺线管长度对磁场分布的影响。结果发现,当匝数密度达到10匝/mm时,对于长度为L=200mm的螺线管,在-0.3L≤z≤0.3L范围内,与螺线管中心处的磁场相比,幅值变化小于4%,可看作均匀磁场。

CLIQ失超保护系统在CCT二极磁体上的应用

中国科学院高能物理研究所超导磁体团队为大型强子对撞机亮度升级项目(HL-LHC)研制了一种斜螺线管型超导二极磁体,为评估CLIQ失超保护系统在该磁体上的性能表现,建立CLIQ失超保护系统在CCT超导磁体上的数值模拟分析方法,根据计算结果搭建了一套CLIQ失超保护系统进行实验验证。数值模拟结果与实验结果证明了CLIQ失超保护系统对CCT超导磁体的高效保护,同时两者十分吻合。

CCT型超导组合磁体样机结构设计

基于斜螺线管型(Canted-Cosine-Theta,简称CCT)线圈结构,研制了一台四极与六极组合的超导磁体样机,它的四极和六极梯度场分别为22 T/m和120 T/m^(2)。该组合型磁体的好场区范围为Φ0.16 m×1.3 m,有效长度为1.3 m。其中四极与六极磁体均采用两层骨架结构,每层骨架的线槽内并排放置多层多根超导线。本文根据导体轨迹,以约束电磁力为结构设计目标,设计了磁体关键部件线圈支撑骨架和磁体内外支撑结构,并介绍了磁体制造过程中的关键环节。