超导磁体

北京正负电子对撞机重大改造工程初步设计

4.9 超导磁体

4.9.1 概述

磁体系统是谱议的关键部件之一，它提供高强度和一定均匀度的恒定磁场，供主漂移室测量带电粒子的径迹，用以研究基本粒子间的相互作用和规律。超导磁体利用轭铁提供磁场回路。

根据BESIII物理工作的需要，要求主漂移室有高的动量分辨率，但主漂移室的动量分辨率主要由室内物质的多次库仑散射决定，此时改进室的空间分辨率和测量次数（增加灵敏丝的层数）以改进测量统计性都不能改进动量分辨率，而增加磁场强度可以达到这一目的。但另一方面，如果磁场强度过高，更多的低能量粒子会陷在漂移室内打圈而很难测量。综合各种因素，选择北京谱仪磁铁的中心磁场设计值为1.0T。

为避免在粒子径迹拟合时做过多的离线计算机校正，要求径迹区内磁场不均匀度较小。但由于线圈工艺复杂，体积宏大，加工生产中必然会产生不圆度。另外由于各子探测器电子学的需要，轭铁上电缆孔很多，参照BESII的情况，目前仍将不均匀度指标定在≤5%。基于主漂移室IV动量分辨率的要求，磁场测量精度应≤0.1%。

4.9.2 超导磁体设计

4.9.2.1 磁体基本参数设计及计算

根据北京谱仪BESIII的物理要求，参照国际上同类磁体的设计进经验，确定采用单层线圈结构，间接冷却方式，超导电缆采用基于纯铝稳定体的设计。根据总体和内部子探测器的尺寸要求，初步确定磁体外形尺寸长度为4.91m，内直径为2.75m，外直径为3.4m，线圈的长度为3.52m，线圈中心直径为2.95m。

若取线圈电流I为3000A，nIB00，其中TB10，可得1m长的线圈匝数为n266匝，超导电缆沿线圈轴向方向的厚度为3.7mm，考虑到匝间的绝缘层的厚度后，线圈总匝数为921匝。考虑到线圈绕制时，由于超导电缆的连接会减少线圈的有效匝数，现将工作电流定为3150A。

线圈的储能lDBlSBVBHE42121)21(20202 = 9.5兆焦耳。从

nDBnSB42=6063.6韦伯，dtdILdtd，IL得出电感L= 2.1亨利。

考虑到在发生失超时，线圈吸收全部储能，最大温升控制在70K以下，从超导电缆的焓差，可以确定超导电缆沿线圈径向方向的高度尺寸为20mm。

超导线圈通电后，会产生很大的径向扩张力，需要设计一个支撑圆筒来箍住线圈，支撑筒必须是无磁材料，具有良好的焊接性能和机械强度。国外一般采第四章 BESIII探测器

用A5083铝，由电磁力和强度计算结果，其厚度定为15mm。线圈中的冷物质包括超导电缆、支撑筒、止口环、冷却管等，重量约为3.6吨。

超导磁体磁路设计时，除了满足给径迹区提供均匀磁场的要求外，还需要将轭铁分成多层，做μ子的吸收体，每两层轭铁之间留出空间安装μ子探测器，轭铁桶部9层，端盖9层。为了保证径迹区的磁场均匀度，在两端设计磁铁极头，以构成较好的磁场回路。超导磁体的基本参数如下表。

表4.9-1 BESIII超导螺旋管线圈基本参数

低温杜瓦

内半径 1.375m

外半径 1.7m

长度 4.91m

线圈

半径 1.475m

长度 3.52m

导体尺寸（矩形） 3.7mm*20mm

电气参数

中心场强 1.0T

工作电流 3150A

电感 2.1H

储能 9.5MJ

冷物质 3.6ton

辐射厚度 1.92X0

冷却时间 ≤7 天

失超恢复时间 ≤1 天

超导电缆的工作电流为3150A(@4.5K)，工作磁场为1T，需要选用工作电流为6300A(@4T，4.2K)的线材。参考BELLE探测器使用的铌钛线材，在4T下的临界电流密度为JC=2600A/mm2(@4.2K)，超导线中铌钛与铜的比例约为1:1，则6300A时所需要的铌钛面积为2.42mm2，而超导线的截面积约为4.84mm2，所以，采用超导线的截面为宽1.3mm、高3.8mm。

下图为超导螺旋管磁体线圈复合超导电缆的横截面结构。

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图4.9-1 超导电缆横截面示意图

针对螺旋管磁体超导电缆截面的特殊性，需要采用特殊的绕线工艺和装配工艺，控制导线张力、匝间层间绝缘性能及处理多段导线的连接接头。线圈在工作时要产生的径向扩张力由支撑筒来承担，在采用内绕工艺绕制线圈时，有利于线圈贴紧这个支撑筒的内壁。

4.9.2.2 磁场分布计算

为了了解磁场的两个主要参数，即径迹区的磁场均匀度和沿束流线的漏磁，我们对多种轭铁配置方案进行分析计算。考虑总体和MUON的设计要求，铁的配置方案为，端盖轭铁的厚度从1～9层分别为40，40，30，30，30，50，80，80，50mm；桶部轭铁的厚度从1～9层分别为30，30，30，40，40，80，80，第四章 BESIII探测器

80，150mm。

磁场分布结果如下图。在不考虑加速器超导四极铁影响的情况下，分别用OPERA软件和ANSYS软件计算场分布，两者的结果一致，结果显示MDC径迹区内的磁场均匀度为2%；反螺线管加电后，径迹区均匀度为13%；在离对撞点中心3.5m处，漏磁为54高斯。若再考虑桶部和端盖轭铁之间的电缆槽里，还有一些铁的五角形垫块，则3.5m处的漏磁会低于50高斯。另外，考虑到加速器的ISPB和Q1磁铁对探测器漏磁有特殊要求，我们也对多种能减小漏磁的局部屏蔽方案进行了研究。

图4.9-2 磁场分布图

图4.9-3 沿束流中心线的磁场强度分布 0.00000.20000.40000.60000.80001.00001.20000.001.002.003.004.005.006.007.008.009.0010.00mT0.00000.01000.02000.03000.04000.05000.06000.07002.202.502.803.103.403.704.004.304.604.905.20mT北京正负电子对撞机重大改造工程初步设计

图4.9-4 在MDC径迹区内的磁场均匀性

4.9.2.3 线圈的其它参数分析

采用有限元方法对线圈的应力进行了分析，在线圈端部应力小，越靠近中间应力越大，最大值周向应力为19Mpa，轴向应力为3.3MPa。

采用纯度为99.993%的铝做稳定体时，线圈内部接点引起的发热为2.54 毫瓦。失超时，会在线圈两端产生的电压，下图为失超区长度和电压的关系曲线。

Estimation of the voltage by quench0.050.0100.0150.0200.0250.0300.0350.01248102030Quench Length (m)Coil Voltage (mV)

图4.9-5 失超区长度和线圈两端电压的关系

第四章 BESIII探测器

4.9.3 低温杜瓦设计

4.9.3.1 杜瓦壳体设计

超导线圈悬挂在低温杜瓦内部，要使线圈在4.2K液氦温度下能够长期稳定工作，内部结构设计时需要考虑自重、电磁力和热应力等多种因素。在低温杜瓦的一端还要设计电流引入线及低温管道的出入通道。低温杜瓦的设计，还要使漏热减小到许可的程度。

参考压力容器以及低温容器的设计，通过理论计算和有限元计算，分别对内筒、外筒和端板进行了弯曲稳定性分析、机械强度分析，最后确定BESIII线圈低温杜瓦设计采用材料型号为SUS304L不锈钢，内筒厚度为6mm，外筒厚度为16mm，端板厚度为32mm，其基本制造过程可分为卷板、焊接、装配、密封和检漏。最大应力和应变发生在内筒中心处，分别为34.8Mpa和0.18mm。

图4.9-6 杜瓦的应力和应变(二维1/2模型)

4.9.3.2 支撑结构设计

线圈支架跨在液氦温度下的超导线圈与室温下的外壳之间，它不但需支持线圈重量，以及抵抗巨大磁力，还要具有热绝缘性能，防止热量传导至超导体内部。初步设计采用多只玻璃钢(GFRP)制成的轴向和径向支撑杆，这种材料既有高的机械强度，又有很小的导热率。 北京正负电子对撞机重大改造工程初步设计

线圈的径向支撑杆每端6根，总共12根；12根轴向支撑杆全部位于靠近颈管的这一端。根据力学分析和结构计算结果，采用径向支撑杆直径20mm，轴向支撑杆直径30mm。液氮屏的径向支撑杆直径15mm，轴向支撑杆直径6mm。

图4.9-7 杜瓦内部线圈及支撑杆结构设计 第四章 BESIII探测器

4.9.3.3磁体重量和物质厚度

表4.9-2 BESIII磁体的各部件重量

部件 重量(公斤)

线圈部分(支撑筒、端板、电缆、液氦管等) 3583

磁体杜瓦(外筒、内筒、端板) 8144

冷屏(内筒、外筒、端板、液氮管等) 480

支撑杆 220

颈管及阀箱(控制杜瓦、电缆、电流引线、氦管道、氮管道、阀、外壁、冷屏等) 2298

总计 14725

表4.9-3 BESIII磁体的物质厚度

部件、材料 材料厚度 辐射厚度 占百分比

X, mm X0, mm X/X0

超导电缆， 铌钛铜 3.2 15.7 0.20 10.64%

铝稳定器， 铝 16.8 88.9 0.19 9.86%

支撑筒，铝 15 88.9 0.17 8.80%

内液氮冷屏， 铝 2 88.9 0.02 1.17%

外液氮冷屏， 铝 2 88.9 0.02 1.17%

多层超绝热膜， 高分子材料 7.5 286 0.03 1.37%

绝缘层，环氧树脂 2 286 0.01 0.36%

杜瓦内筒，不锈钢 6 17.7 0.34 17.69%

杜瓦外筒，不锈钢 16 17.7 0.90 47.17%

失超导热条， 铝 1 88.9 0.01 0.59%

液氦液氮冷却管，铝 2 88.9 0.02 1.17%

合计， X0 1.92 100%

4.9.4 磁体的低温系统

为冷却BESIII超导螺旋管磁体，需要一套氦制冷系统。该系统由主压缩机、带有两级透平膨胀机及多个换热器的冷箱、氦气储罐、纯化器、回气柜、膜压机和回收气瓶等组成。同时系统还需要消耗适量的液氮。

磁体的低温系统由位于探测器顶部的控制杜瓦、盛装线圈的磁体杜瓦以及连接控制杜瓦与磁体杜瓦间的颈管组成。由同心波管构成的柔性多通道输送线将磁体的低温系统与外部的氦制冷系统联结起来。整个系统由计算机监测和控制。

4.9.4.1 系统的热载荷

系统的热载荷来自磁体杜瓦、颈管以及控制杜瓦内的电流引线发热、热辐射