hiaf快脉冲磁铁用液氦内冷超导电缆的研制

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1、密级:_______博士学位论文HIAF快脉冲磁铁用液氦内冷超导电缆的研制作者姓名:陈玉泉指导教师:马力祯、研究员、近代物理研究所学位类别:工学博士学科专业:核技术及应用培养单位:中国科学院近代物理研究所二零一五年十一月R&DofLiquidHeliumInnerCoolingSuperconductingCableforHIAFFast-pulsedMagnetByChenYuquanADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofScienc

2、esInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofScienceinEngineeringInstituteofModernPhysics,ChineseAcademyofSciencesNovember,2015致谢致谢时光荏苒，岁月如梭，转瞬间五年的硕博连读生涯即将结束。回首过去的五年时光，有喜悦、彷徨，有感动、困惑，但重要的是学到了丰富的专业知识和做人做事的道理。本论文得以顺利完成，离不开各位老师、同事和朋友们的热情帮助和关心

3、，在此一并感谢他们。首先，衷心地感谢我的导师马力祯研究员，感谢马老师在论文选题到整个论文完成过程中给予的悉心指导。马老师广博的知识，严谨的治学态度，敏锐的科研洞察力，乐观风趣的生活作风给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅。在马老师的教导下，我不仅学会了科学高效的研究方法，树立了端正严谨的科研态度，还学习了很多为人处事的道理。感谢磁场室的吴巍在学习和工作上给予的诸多指导和帮助。感谢磁场室的姚庆高、韩少斐、张思玲、张晓鹰、倪东升、关明智、吴北民、朱丽、梅恩铭等同事在我的工作和生活中给予的热情帮助和关怀。感谢

4、杜俊杰、梁羽、赵丽霞、左佳欣、李亚东等同学在平时工作及生活上的帮助。感谢西部超导公司的王庆相、李永华在低损耗超导线材的设计、加工和测试中给予的帮助。感谢白银长通电缆厂的薛天军主任在电缆绞缆工作方面给予的大力支持。感谢人教处的华明漪老师、邱嵘老师和李明治老师在各方面提供的帮助。最后，我要感谢我的父母，感谢您们的养育之恩，在我一路求学的背后是您们辛劳的汗水和劳累的身躯，您们的付出成就了现在的我。谨以此论文献给我的父母，共同分享这份喜悦。摘要摘要中科院近代物理研究所提出的国家“十二五”重大科技基础设施——强

5、流重离子加速器装置（HighIntensityHeavy-IonAcceleratorFacility，简称“HIAF”），其增强器BRing计划采用超导磁铁的方案。由于BRing磁铁将工作在快脉冲循环模式下，线圈必须使用电缆绕制以减少匝数从而降低磁铁电感。通过比较几种常用超导电缆的性能，最终选择液氦内冷电缆作为HIAF快脉冲超导磁铁线圈的导体。超导电缆的研制是HIAF快脉冲超导磁铁研制的基础，其性能的优劣直接决定了磁铁的性能。液氦内冷超导电缆是将多根超导线缠绕在无缝铜镍管上，并用镍铬丝捆扎固定，外层

6、包裹聚酰亚胺带和玻璃丝带进行绝缘的电缆。相对于液氦浸泡的冷却方式，该电缆通过流经铜镍管内部的液氦进行迫流冷却，所需液氦量少且冷却效率高。超导电缆工作在变化的磁场中或传输变化的电流时，将产生交流损耗。文中对液氦内冷电缆的交流损耗进行了分析，得出计算交流损耗的公式。作为电流的实际载体，超导线的性能在很大程度上决定了电缆的性能。为了获得高临界电流和低交流损耗的电缆，我们研制了三种不同类型的超导线，通过测试其临界电流和交流损耗，选用一种高性能的超导线来绞制电缆。论文的另一个重点研究内容是液氦内冷电缆的运行稳定

7、性。文中依据几种不同的稳定化理论，得出电缆稳定运行的最大电流，并借助数值软件THEA计算了HIAF快脉冲超导磁铁电缆的稳定性裕度，模拟了电缆的失超过程。首次在国内研制了两百米长的液氦内冷超导电缆，并掌握了电缆的制造工艺及流程，制定了电缆加工各环节的执行规范，为后续电缆的批量加工提供研制经验。对三种超导线的临界电流以及磁滞损耗进行了测量，结果表明临界电流达到了设计值，而磁滞损耗略大于计算值。通过自主研制的电缆临界电流测量装置，I摘要对电缆的临界电流进行了初步测试。在3T背景磁场下测得电缆的电流为15kA

8、时，电缆并未失超，表明电缆的临界电流高于15kA，也说明电缆基本满足运行要求。关键词：快脉冲超导磁铁，超导电缆，交流损耗，稳定性裕度，THEAIIAbstractABSTRACTR&DofLiquidHeliumInnerCoolingSuperconductingCableforHIAFFast-pulsedMagnetChenYuquan(NuclearTechnologyandApplications)DirectedbyDr.MaLizhenFa