超导波荡器冷却和冷质量支撑系统的研究
刘以勇
学位类型博士
导师王莉
2018
学位授予单位中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
关键词超导波荡器 低温冷却 冷质量支撑 自对心式支撑及准直
摘要波荡器是第三代同步辐射装置和自由电子激光装置中用于产生同步辐射光的核心部件。超导波荡器(Superconducting Undulator,简称SCU)磁体采用超导材料(如低温超导材料Nb Ti或Nb3Sn,或者高温超导材料YBCO)绕制,在相同的磁间隙和磁周期下,同常规真空内波荡器和低温永磁波荡器相比,可产生更高的磁场,从而光源或自由电子激光装置在有限的安装空间内可获得更高的亮度和光子能量,为用户提供更高质量的束流,提升其综合科研能力。超导波荡器技术是当前国际波荡器领域研究的热点和下一代插入件的主要发展方向之一。目前,超导波荡器仍处于关键技术的研究探索和样机的试制及测试阶段。因此,研究并掌握SCU的关键核心技术,自主研发SCU,不仅对于我国在光源及自由电子激光等领域中关键技术的国内科技自主创新与国际领先具有重要的科技意义,并且对于推动我国自主建设此类大科学研究装置具有重要的工程实用价值。本论文以中科院上海应用物理研究所自主研制的SCU模型机为研究对象,围绕低温超导波荡器的低温冷却技术和冷质量支撑及准直技术开展了一系列研究工作。论文对SCU及其冷却技术和冷质量支撑及准直技术的国内外研究工作进行了较全面的调研;建立了SCU模型机恒温器低温测试平台;针对:1)超导磁体、束流真空管、电流引线等冷质量的冷却技术,2)磁体、束流管以及冷屏等冷质量的支撑系统的设计和热力分析,3)自对心式磁体支撑的原理分析及自对心性验证、冷质量偏心对磁体自对心性能的影响、自对心式磁体支撑的振动稳定性能等进行了细致且深入的理论分析和实验测试研究,研究结果为SCU模型机的成功研制和SCU实用化进程的推进提供了理论依据,且具有重大的工程实用意义。本文具体研究内容如下:1)低温超导波荡器冷却技术的理论分析。首先对SCU模型机的冷却要求进行了分析,确定了SCU模型机的总体冷却方案:以小型低温制冷机为冷源,磁体和束流管分别独立冷却,以减小束流动载对磁体工作稳定性的影响;处于低温真空环境的4.2 K超导磁体主要采用蒸发再冷凝的热虹吸回路液氦管流冷却,辅助以制冷机冷头与磁体之间的导冷带热传导冷却;10~20 K超高真空束流管采用热传导方式冷却;磁体采用传导冷却的常规铜引线和高温超导引线构成的二元电流引线;磁体自对心式磁体冷质量支撑方案,不需要低温下的准直等。而后,采用有限元数值仿真方法,以传热热阻最小化为目标,对冷质量的关键冷却结构进行了优化设计。之后,分析了SCU热负载的主要来源和机理,建立了导热漏热和辐射漏热的理论分析模型,分析了影响SCU静态热负载的若干因素,提出了减少静态热负载的方向,给出了SCU模型机的热负载计算结果。2)低温超导波荡器冷却技术的实验测试。根据超导波荡器的冷却设计,建立了SCU模型机恒温器低温测试平台,在此平台上,可进行SCU研制的各项关键技术的低温测试。论文对超导磁体叠片式和一体式骨架结构的冷却通道的传热方式进行了分析和比较,对其钎焊工艺和低温冷却性能进行了实验研究。实验验证了SINAP SCU模型机的冷却方案、热负载计算方法以及冷却结构的设计方法,从恒温器内冷质量的降温冷却、积液、正常运行至复温,以及二元电流引线的承载性能和冷却性能,验证了SINAP SCU模型机冷却方案的可行性和冷却结构设计的合理性。小型低温制冷机其不仅作为SCU正常运行的冷源,又作为降温冷却的冷源以及氦液化器,SCU系统的低温测试及运行无需外界液氦的输入,不受液氦源的限制,只需高纯氦气即可。此为SINAP的SCU冷却技术之特色。3)SCU冷质量支撑系统的设计及热力分析。首先对超导磁体、束流管和热屏蔽层的支撑方案进行了分析和确定:超导磁体低温条件下的位置精度要求高,采用自对心式冷质量支撑结构以避免低温下的准直问题。束流管处于上下两个超导磁体的中心,垂直方向上和磁体的间距仅0.5 mm,采用点状支撑,其一端支撑在磁体上,以使降温后束流管中心与磁体中心仍然保持一致性,并减小对磁体的导热漏热。冷屏支撑采用设计和安装相对简易的各向拉杆支撑结构。其次,研制了一套磁体自对心式支撑常温端真空外三维可调节机构,用于调节支撑加工误差等造成的准直误差,一定程度地降低加工精度及成本。之后,对各类支撑的材料主要从抗拉强度、弹性模量和导热率三个方面进行了分析和比较,选择了碳纤维、不锈钢304和G-10分别作为超导磁体、热屏蔽层和束流管的支撑材料。最后,采用有限元数值模拟方法,进行了冷质量支撑的温度分布、应力及变形分析,以优化结构设计。4)自对心式冷质量支撑的研究。采用数学模型,对自对心式支撑的自对心原理进行了理论分析,并进行了自对心性能的实验验证;研究了冷质量偏心对磁体自对心性能的影响并进行了实验测试。实验测试时,首先采用激光跟踪仪测量坐标点的办法,验证了超导磁体和支撑的常温端点均在理想位置;然后在低温下,采用线测量方法和拍照监测同一点像素坐标变化量的办法确定了超导磁体的位置,验证了常温和低温下磁体中心保持不变的性质。同时,对冷质量偏心(如失超保护组件偏置导致冷质量偏心)的情况进行了模拟实验,实验表明其不会对自对心性构成实质影响。最后,采用东华测试DH5927N采集器和DH610传感器,对自对心式磁体支撑组件的稳定性进行了振动实验测试研究,比较了4台制冷机同时工作情况下超导磁体的功率谱密度和均方根位移。对SCU模型机,重点关注束流截面上两个方向上的均方根位移,实验表明采用减振波纹管和减振软带进行隔振的制冷机在工作状态下不会对SCU超导磁体的正常工作产生影响。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/28484
专题中科院上海应用物理研究所2011-2018年
作者单位中国科学院上海应用物理研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
刘以勇. 超导波荡器冷却和冷质量支撑系统的研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2018.
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