BEPCⅡ超导四极磁体线圈结构分析与磁场性能研究

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1、中国科学院大学博士学位论文旦E￡￡!!趁昱四援礁佳缝圈结翅岔蚯皇壁堑世篚班窭作者姓名：塞廛照指导教师：使堂生班基虽屋塞班塞虽虫垦科堂隧西能塑翌班嚣压学位类别：王堂簋±学科专业：弦拄盔厘廛且培养单位：生垦型堂睫商霞翅堡班瘟压2012年10月Ying-shunZhuDirectedbyProfessorShi·NianFuandProfessorWenKangADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegree

2、ofDoctorofNuclearTechnologyandApplicationInstituteofHighEnergyPhysics，ChineseAcademyofSciencesOctober，2012研究生学位论文声明本人郑重声明：所里交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的成果，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标明。I签名：生乏¨I天日期：b眦fJ。乏芏关于学位论文使用授权的说明本人完全了解中国科学院高能物理研究所“关于中

3、国科学院高能物理所研究生论文及研究成果使用权的规定”(2001)高发研生字第315号文件，即：高能物理研究所拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其中包括：(1)己获学位的研究生必须按规定提交学位论文，高能物理研究所可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文；(2)为教学和科研目的，高能物理研究所可以将公开的学位论文作为资料在图书馆、资料室等场所供科研人员阅读，或在所内网站供科研人员浏览部分内容；(3)根据《中华人民共和国学位条例暂行实施办法》，向国家图书馆等相关部门报送可以公开的学位论文。bJ2．幔I啦I摘要超导磁铁技术是当前加速器磁铁技术的主要发

4、展方向之一。超导磁铁被广泛应用于各类大型加速器中，在提高加速器性能方面发挥了越来越重要的作用。北京正负电子对撞机重大改造工程(BEPCII)是一台双环高亮度的正负电子对撞机和高性能的同步辐射光源。为了极大地压缩对撞点处的束团尺寸以获得高对撞亮度，最靠近对撞点的磁铁为超导磁铁。限于经费原因，BEPCII没有备用超导磁铁。BEPCII建设完成以后，我们开始进行备用超导磁铁的研制。为了积累经验，首先进行的是超导四极模型线圈的研制。磁场计算是超导磁铁设计与研制的基础，超导磁铁的磁场质量主要由线圈结构和准确定位决定。本论文作为BEPCII超导模型线圈研制课题的一部分，对不同结构

5、四极线圈的磁场数值计算和超导模型线圈的磁场相关问题进行深入研究，并进行结构分析保证磁体应力水平在安全范围内。首先，完成了铜导线蛇形线圈的物理设计，通过旋转线圈磁场测量、OPERA三维磁场计算、线电流理论分析三种方法对磁场特点进行了研究和验证。开展了传统分离型四极线圈的可行性研究，并将其磁场特点与蛇形线圈进行比较。然后，参考BNLSCQ线圈方案，进行了结构改进和优化，在二维和三维磁场计算的基础上，完成了适合手工绕线特点的超导模型线圈物理设计，并进行了包括电磁应力和降温变形在内的磁场质量相关影响因素的分析研究。超导模型线圈绕制完成后，根据常温下的旋转线圈磁场测量结果，采用

6、4匝导线组成的调补线圈改善磁场质量，最终常温下各高阶磁场分量好于万分之二。另外，论文对超导磁铁的两个基础问题进行了研究和探索：首次推导出了超导磁铁励磁安匝数的一般表达式，将其应用于几个主要加速器超导磁铁进行验证；基于线电流近似，发展了半解析的空心线圈三维磁场计算算法，能够快速、准确地求解积分磁场强度和高阶磁场含量，并通过两个算例进行了验证。关键词：BEPCII，超导四极磁铁，磁场计算，磁场质量，安匝数BEPCII超导四极磁体线圈结构分析与磁场性能研究ⅡAbstractNowadays，superconductingmagnettechnologyisoneofthem

7、aindevelopmentdirectionsoftheacceleratormagnettechnology．Superconductingmagnetsarewidelyusedinallkindsoflargeaccelerators，andtheyplayanincreasinglyimportantroleinimprovingtheacceleratorperformance．TheBeijingElectron-PositronColliderupgrade(BEPCII)isadoubleringcolliderwhichiscon