超导波荡器模型机的研制范文

《低温与超导杂志》2016年第二期

摘要:

上海光源正在研制一台低温超导波荡器模型机，周期数50，周期长度16mm，磁间隙8mm，目标峰值磁场0．88T。首先研制了一台5周期超导波荡器磁体模型机进行技术可行性研究。磁体绕组采用NbTi超导线，骨架加工采用电工纯铁。使用传导冷却的测试装置进行了磁体降温、通电与磁场测量。磁体经过两次失超之后达到设计电流值387A。达到的最大电流为433A。当磁体稳定运行在400A时，测得磁场峰值为0．93T。研究结果表明已有的超导磁体关键技术与工艺能够满足50周期超导波荡器模型机的研制需求。

关键词:

超导波荡器;超导磁体;铌钛超导线圈;光源插入件

1引言

第三代同步辐射光源普遍使用扭摆器和波荡器等插入件以提高供光质量。超导技术已经被成功应用于扭摆器和波荡器的研制中［1，2］。与永磁波荡器和混合波荡器相比，超导波荡器在给定周期长度与磁间隙的情况下能产生更强的磁场，因此有助于提高同步辐射光的能量和亮度［3，4］。上海光源是一座第三代同步辐射光源设施，也是迄今为止中国最大的科学装置，产生的同步辐射光应用于生物、化学、材料、环境等各个领域的科学研究。自2009年正式投入运行至今，上海光源的用户数量已经超过4700人，分别来自世界范围内200多个不同的大学、科研机构和企业。为进一步提高上海光源的供光质量，满足日益增长的用户需求，上海光源正在研制一台50周期超导波荡器(SCU)模型机［5，6］，主要参数如表1所示。超导磁体是超导波荡器的核心部件之一。作为技术可行性研究，首先研制了5周期超导波荡器磁体模型机(下文简称为5周期磁体)，本文报道其研制工作与成果。

2磁场设计

超导波荡器磁体由形状相同的两部分组成，关于束流中心平面上下对称放置，两部分之间是束流真空室。每一部分由磁体骨架和一系列D形超导线圈组成，线圈单元绕制在极片与铁芯组成的凹槽内，相邻线槽内的电流方向相反。5周期磁体的线圈单元与极片数量分别是22与24。采用VectorFieldsOPERA软件的TOSCA模块进行了磁场模拟。为达到束流轴线上的目标磁场0．88T，拟采用从西部超导公司订制的NbTi/Cu导线进行线圈绕制。表2列出NbTi/Cu导线的关键参数。极片和铁芯材料采用电工纯铁DT4C的性能参数。模拟结果表明磁隙8mm时，束流轴线磁场峰值达到0．88T所需运行电流为387A。为使磁场的一次积分和二次积分接近为零，还对端部线圈进行了设计和模拟，结果如下:主线圈安匝数32093A，第一端线圈部安匝数24048A，第二端部线圈安匝数8116A。图1是5周期磁体的磁场波形图。图2是5周期磁体的负特性曲线。当运行在387A时，超导线圈中的最大磁场为3．2T，负载率为83%。当磁体运行在387A电流和4．2K温度时，估算得到温度裕度约为0．7K，最小失超能量约为4HJ。

3磁体设计与加工

采用电工纯铁加工5周期磁体骨架。线槽截面积尺寸为5．08mm2×6．5mm2。线槽的底面与侧面均使用厚度0．12mm的G10薄片作为绝缘材料。超导NbTi/Cu线绕制在方形截面的线槽中。绕线方案是采用单根导线从第1线槽开始绕制，向一个方向依次绕满奇数号线槽，然后通过换向螺钉返回，依次绕满偶数号线槽。第1和第2端部线槽匝数分别为21和62。其余线槽匝数为83，填充系数71%。使用环氧树脂浸渍绕制完成的磁体。图3是浸渍完成的5周期磁体实物与框架。

4测试装置与测试结果

使用自制的小型超导磁体测试装置进行5周期磁体的降温与通电实验。采用4．2K冷量为1W的G-M制冷机进行传导冷却。3对二极管“背靠背”的以铜板固定，与引能电阻串联，然后连接到5周期磁体端部(低温恒温器外，室温)以实现失超保护。图4是5周期磁体的锻炼曲线。经过2次失超锻炼之后达到设计电流值387A。实验达到最大电流值为433A。采用一套精密测量装置进行了5周器磁体的磁场表征。测量装置与低温恒温器相连。图5是磁测装置实物。使用霍尔探头测量磁场曲线。精密机械平台连接在低温恒温器侧边法兰，驱动霍尔探头沿磁体轴线水平运动。霍尔探头由3个霍尔传感器组成，1个安装在磁体轴线，另外2个分别安装在偏离轴线水平位移10mm的两侧，位置精度好于100mm。3个传感器已在低温进行标定，标定误差小于10Gs。传感器的平面平行于磁体中心平面以测量磁场垂直于中心平面的分量(By)。图6是5周期磁体的磁场曲线。磁体稳定运行于400A时峰值磁场测得0．93T。图7是峰值磁场与励磁电流的关系曲线。目前未测量5周期磁体的磁场积分与相位误差。磁场积分与相位误差测量将在后续的10周期磁体模型机上进行。

5结论

上海光源设计研制了一台超导波荡器5周期磁体模型机，在传导冷却的小型测试装置中进行了低温通电实验和磁场测量。获得最大电流值为433A。获得磁体稳定运行于400A时的峰值磁场0．93T。测试结果表明上海光源已经掌握研制超导波荡器50周期模型机的关键技术与工艺。

作者：丁祎 许皆平 崔剑 张伟 王宏飞 席瑞成 殷立新 单位：中国科学院上海应用物理研究所