文档介绍：工学博士学位论文
MICE 超导耦合磁体失超过程
与失超保护研究
郭兴龙
哈尔滨工业大学
2010 年 6 月
国内图书分类号:TB69
国际图书分类号:
工学博士学位论文
MICE 超导耦合磁体失超过程
与失超保护研究
博士研究生:郭兴龙
导师:王莉教授
申请学位:工学博士
学科、专业:制冷及低温工程
所在单位:能源科学与工程学院
答辩日期:2010 年 6 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index: TB69
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Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering
STUDY ON QUENCH PROCESS AND QUENCH
PROTECTION OF MICE SUPERCONDUCTING
COUPLING
Candidate: Guo Xinglong
Supervisor: Prof. Wang Li
Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering
Speciality: Refrigeration and Cryogenic
Engineering
Unit: School of Energy Science and
Engineering
Date of Oral Examination: June, 2010
University: Harbin Institute of Technology
摘要
摘要
国际离子化冷却μ介子实验(Muon Ionization Cooling Experiment,简称
MICE)是验证中微子工厂和μ介子对撞机可行性的关键技术预研性工作之
一。作为 MICE 实验装置中的重要组件之一的超导耦合螺线管磁体将提供约
的中心磁场,以控制位于其内部的射频腔内的μ介子束流。超导磁体的
失超会导致磁体线圈内部的过热和过电压,从而可能对磁体造成永久性损
害,失超过程的研究及失超保护系统的设计是超导磁体设计的关键内容之
一。以商用铜基铌钛超导线绕制、环氧树脂浸渍的耦合磁体拟采用线圈分段
并结合骨架诱发失超效应(quench-back)的被动失超保护方式。本文以
MICE 超导耦合螺线管磁体为研究对象,建立了失超过程的数值模拟模型,
深入地研究了失超过程中主要参数的变化规律,设计了合理可行的失超保护
系统。本文的研究结果对耦合磁体及类似螺线管磁体的失超保护系统设计具
有重要的理论指导意义和实际应用价值。主要研究内容包括:
为了设计合理的耦合磁体失超保护电路,对耦合磁体的失超过程进行了
半经验数值模拟研究。在经典的基于失超传播速度的失超模拟方法中考虑了
骨架的诱发失超效应,为耦合磁体失超过程的模拟建立了一个半经验数值模
型。采用已成功运行的一个实验超导磁体的失超过程实验结果,经与模型计
算结果比较,验证了模型的正确性。用该模型研究了磁体分段数目、保护电
阻值和绑扎带材料对于耦合磁体失超过程的影响,为耦合磁体设计了合理的
失超保护电路。
为了深入理解耦合磁体的失超过程和骨架内的涡流及其引起的诱发失超
效应,对耦合磁体的失超过程进行了进一步的有限元模拟研究。基于
ANSYS 耦合场分析功能,考虑了骨架的诱发失超效应,建立了失超过程瞬
态耦合热电磁有限元模型。应用该模型计算了耦合磁体失超过程,比较了有
限元模型与半经验模型的计算结果,验证了该有限元模型的正确性。利用该
模型进一步分析了失超过程中骨架的诱发失超效应,并指出了有限元模型与
半经验模型的优缺点。
已公开的失超模拟方法对于磁体内部的过热计算比较准确,对于过电压
计算非常保守,为此本文提出了分段螺线管磁体失超过程过电压的一个较准
确计算方法。准确的过电压计算需要分析磁体内部的电压分布。将磁体看做
是以匝为单元组成的电路,每匝同时具备电阻与电感属性。失超过程中各匝
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的电感不变,电阻随匝温度而变。根据每匝的瞬态温度和电流,可计算出磁
体内部沿导线方向的电阻电压、电感电压以及合电压分布。提出了分段螺线
管线圈失超过程中最大内电压、层间电压及匝间电压的较准确的计算方法。
用该方法研究了分段