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快脉冲超导螺线管的多场行为数值分析与实验研究

刘美楼 吴北民 马力祯 尹永智 任文辉 杨通军 董学城 欧贤金 姚庆高 乔威宇

刘美楼, 吴北民, 马力祯, 等. 快脉冲超导螺线管的多场行为数值分析与实验研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202537.240131
引用本文: 刘美楼, 吴北民, 马力祯, 等. 快脉冲超导螺线管的多场行为数值分析与实验研究[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202537.240131
Liu Meilou, Wu Beimin, Ma Lizhen, et al. Numerical analysis and experimental study of multi-field behaviour of fast ramping superconducting solenoids[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202537.240131
Citation: Liu Meilou, Wu Beimin, Ma Lizhen, et al. Numerical analysis and experimental study of multi-field behaviour of fast ramping superconducting solenoids[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202537.240131

快脉冲超导螺线管的多场行为数值分析与实验研究

doi: 10.11884/HPLPB202537.240131
基金项目: 中国科学院战略性先导科技专项(XDB25000000);中国科学院“西部之光-西部青年学者”项目;甘肃省陇原青年英才项目
详细信息
    作者简介:

    刘美楼,lml123aiker@163.com

    通讯作者:

    吴北民,wubmin@impcas.ac.cn

  • 中图分类号: TL503

Numerical analysis and experimental study of multi-field behaviour of fast ramping superconducting solenoids

  • 摘要: 北京大学拍瓦激光质子加速器针对肿瘤治疗需求,开发激光质子放疗系统,实现质子放射肿瘤治疗。其水平束流线和垂直束流线的公共收集段主要由三台超导螺线管(S1-S3)组成。在降温过程和励磁过程中螺线管内会产生较大的应力,此外超导螺线管采用快脉冲的方式运行,励磁过程中的交流损耗会对螺线管励磁速度和稳定运行有重要影响。以结构最复杂、中心场强为7.8 T、直径120 mm的螺线管S1为研究对象,使用COMSOL Multiphysics软件对超导螺线管进行了多场条件下的应力分析,同时对其由于快速变化的电流所产生的交流损耗进行了模拟计算。随后开展了相应的实验研究,获得了应变随温度变化,给出了电流、磁场、应变三者对应关系的变化曲线。在实验过程中,磁场和应变的测量值与电流的变化之间存在显著的正相关性,应变值小于线圈所受应力的最大限值,验证了超导螺线管设计的合理性。
  • 图  1  超导螺线管磁体线圈分布图

    Figure  1.  Distribution of superconducting solenoid magnet coils

    图  2  磁场三维分布

    Figure  2.  Three-dimensional distribution of the magnetic field

    图  3  螺线管轴向磁场分布

    Figure  3.  Axial magnetic field distribution

    图  4  螺线管S1爆炸视图

    Figure  4.  Exploded view of solenoid S1

    图  5  二维径向、轴向电磁力密度分布

    Figure  5.  Electromagnetic force density distribution of 2D radial and axial

    图  6  磁体对称面中心环向应力分布曲线

    Figure  6.  Hoop stress distribution curve at the center of the magnet symmetry plane

    图  7  磁体对称面中心径向应力分布曲线

    Figure  7.  Radial stress distribution curve at the center of magnet symmetry plane

    图  8  磁场随时间的变化曲线

    Figure  8.  Curve of magnetic field with time

    图  9  超导螺线管体积损耗密度分布

    Figure  9.  Volume loss density distribution of superconducting solenoids:

    图  10  液氦浸泡冷却条件下总交流损耗引起的温升随时间的变化趋势

    Figure  10.  Trend of temperature rise due to total AC loss with time under liquid helium immersion cooling condition

    图  12  降温过程磁体环向应变曲线

    Figure  12.  Radial strain curve of magnet during cooling process

    图  11  降温过程温度曲线

    Figure  11.  Temperature profile of cooling process

    图  13  磁场时变特性与磁体电-磁响应曲线

    Figure  13.  Temporal variation characteristics of the magnetic field and I-B response curve of the magnet

    图  14  电流加载与磁体表面应变随时间的变化

    Figure  14.  Current loading and magnet surface strain with time

    表  1  螺线管设计参数

    Table  1.   Solenoid design parameters

    Coils Inner diameter/mm Inner diameter/mm Midplane/mm Length/mm Turns Iop/A Maximum magnetic
    field of the coil/T
    C1 170.60 180.54 0.00 790.00 1744 176.98 7.82
    C2 181.14 191.66 0.00 790.00 3678 176.98 7.34
    C3 192.26 228.57 0.00 790.00 23520 176.98 6.3
    C4a 377.00 422.36 384.33 21.34 750 −176.98 2.81
    C4b 377.00 422.36 384.33 21.34 750 −176.98 2.81
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    表  2  线圈洛伦兹力

    Table  2.   Lorentz force in Solenoid

    Coil Radial Lorentz force/kN Axial Lorentz force/kN
    C1a 295.5 −19.0
    C1b 295.5 19.0
    C2a 592.8 −44.9
    C2b 592.8 44.9
    C3a 1668.4 −336.1
    C3b 1668.4 336.1
    C4a 12.4 24.4
    C4b 12.4 −24.4
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    表  3  材料物性参数

    Table  3.   Physical parameters of materials

    Material Young’s modulus (GPa) Poisson’s ratio Thermal expansion
    coefficient (10−5 K−1)
    293K 4.2K
    316L 193 210 0.282 1.004
    Al6061-T6 70 79 0.33 1.45
    Main coil C1 89 89 0.32 1.16
    Main coil C2 90 90 0.32 1.24
    Main coil C3 and shielding coils 82 82 0.32 1.28
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    表  4  结构件涡流损耗

    Table  4.   Eddy current losses in structural components

    Eddy current
    loss (W)
    Total eddy current
    loss (W)
    End plate 7.8 2.31
    Skeletons 7.3
    Binding 6.3
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    表  5  各线圈交流损耗

    Table  5.   AC loss of each coil

    Magnetic fields/T AC loss/W Total AC loss/W
    C1 7.8 0.61 2.31
    C2 7.3 0.43
    C3 6.3 1.17
    C4a、C4b 2.8 0.10
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-04-19
  • 修回日期:  2025-01-05
  • 录用日期:  2024-04-19
  • 网络出版日期:  2025-04-28

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