彭全嶺 賴 嶸 楊向臣 徐風雨

1（中國科學院高能物理研究所 北京 100049）

2（哈爾濱工業(yè)大學 哈爾濱 150006）

ADS注入器I超導短磁鐵研制及測試

彭全嶺1賴 嶸1楊向臣1徐風雨2

1（中國科學院高能物理研究所 北京 100049）

2（哈爾濱工業(yè)大學 哈爾濱 150006）

加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)(Accelerator Driven Sub-critical System, ADS)注入器I超導磁鐵經(jīng)過2012年模型磁鐵（300 mm長磁鐵）階段后，因加速器物理設(shè)計需要，磁鐵機械長度縮短到170 mm，截至到2014年共經(jīng)過了三種結(jié)構(gòu)類型的超導磁鐵的研制。2014年7月在哈爾濱工業(yè)大學進行短磁鐵的低溫垂直測試，磁鐵的各項性能指標都滿足了設(shè)計要求，同時也驗證了失超探測和磁場測量設(shè)備的可靠性。本文主要介紹170 mm長短磁鐵的物理及結(jié)構(gòu)、電流引線、失超保護以及超導磁鐵裸磁鐵的低溫垂直測試情況。目前有兩塊超導短磁鐵，兩個超導腔已裝入到測試恒溫器中，并實現(xiàn)了2.1 K下的低溫運行，超導磁鐵的運行平穩(wěn)，電流引線常溫端也無結(jié)霜現(xiàn)象。

螺線管，失超探測，垂直測試，持續(xù)電流效應(yīng)

加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)(Accelerator Driven Sub-critical System, ADS)是利用加速器所產(chǎn)生的高能質(zhì)子轟擊重靶核產(chǎn)生中子，并用其作為中子源來驅(qū)動次臨界包層系統(tǒng)，使次臨界包層系統(tǒng)維持鏈式反應(yīng)，以便得到能量并利用多余的中子來嬗變核廢物[1]。圖1為ADS注入器I的加速器結(jié)構(gòu)，連續(xù)的質(zhì)子束經(jīng)過離子源、低能傳輸段(Low energy beam transport, LEBT)、射頻加速和聚焦段(Radio frequency quadrupole, RFQ)、中能傳輸段1 (Medium energy beam transport, MEBT)，質(zhì)子束到達第一節(jié)低溫恒溫器前端的能量為3.2 MeV。質(zhì)子束在第一節(jié)和第二節(jié)低溫恒溫器中，經(jīng)過超導Spoke腔的加速，能量可以達到10 MeV。經(jīng)過偏轉(zhuǎn)磁鐵和中能傳輸段MEBT2后，質(zhì)子束注入到主加速器中，再經(jīng)過幾節(jié)低溫恒溫器可進一步加速到25 MeV、50MeV等不同的能量，并分別注入到不同的反應(yīng)堆中來實現(xiàn)核廢料的嬗變或增值。

圖1中兩節(jié)低溫恒溫器中加速器元件的布局，超導Spoke腔、束流位置探測器(Beam Position Monitor, BPM)和超導磁鐵在低溫恒溫器中交替安裝，每個lattice周期長度僅為674 mm，分配給每塊超導磁鐵的機械長度僅為170 mm，給磁鐵的設(shè)計制造和安裝帶來很大困難。ADS超導磁鐵實際為一個磁鐵包，包括一個超導螺線管、一個超導水平校正子和一個超導垂直校正子。螺線管的作用是對質(zhì)子束流進行聚焦，兩個校正子的作用是對束流的軌道進行校正。

圖1 ADS注入器I加速器結(jié)構(gòu)（放大部分為兩節(jié)低溫恒溫器）Fig.1 Schematic layout of ADS injection I (enlarged part: twocryomodules for the accelerator components).

1 短磁鐵物理設(shè)計

注入器I中的超導短磁鐵沿用了長磁鐵的設(shè)計思想[2]，主要是在實現(xiàn)其積分場強的情況下，盡可能地減小其對上下游超導Spoke腔處的漏場，同時要盡可能降低磁鐵運行峰值場強，減小磁鐵的能量，確保超導磁鐵的安全運行。為實現(xiàn)在170 mm長度下超導磁鐵的物理及結(jié)構(gòu)設(shè)計，需要省去原來長超導磁鐵兩端的刀口法蘭，把磁鐵前后兩個端面變成實際的連接法蘭。

降低超導磁鐵漏場主要是先通過主螺線管實現(xiàn)高于所需要的積分場強；再在主螺線管前后兩側(cè)分別加一個反螺線管以抵消主螺線管的尾場；最后在超導磁鐵線圈的外側(cè)用鐵軛收攏磁場，用來更進一步地減小漏場。利用Opera-2D和3D程序[3]對螺線管磁鐵的物理設(shè)計進行了模擬，計算結(jié)果表明，在離磁鐵中心上線游270 mm處的Spoke腔處的漏場均小于1G，能夠滿足設(shè)計要求。圖2、3為超導螺線管物理設(shè)計計算結(jié)果，在210 A的設(shè)計電流下，前后端面的鐵軛并沒有出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，縱向磁場BZ的一次積分為3.11×106G.mm，二次積分為1.06×1011G2.mm，均滿足加速器物理設(shè)計要求。兩側(cè)的反螺線管受到的向外排斥力為44 kN，給磁鐵安全運行帶來隱患。需要在磁鐵組裝的過程中，對磁鐵線圈提供足夠的預壓緊力。螺線管所用超導線規(guī)格為1.32 mm×0.86 mm、Cu:SC=4:1，兩個二極校正子在螺線管線圈的孔徑內(nèi)，采用直徑為0.35 mm、銅超比為0.67:1的超導線。每個校正子線圈有一對線圈組成，線圈為馬鞍型結(jié)構(gòu)，只有一層，最大運行電流為15 A，積分場強為16 000 G.mm。

圖2 超導螺線管的物理設(shè)計Fig.2 Physical design of the superconducting solenoids.

圖3 半長度螺線管磁場的磁力線分布圖Fig.3 Flux distribution of magnetic lines for the half solenoid.

2 短磁鐵的結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖4為超導磁鐵本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，束流真空盒也是實際磁鐵液氦容器的內(nèi)筒，同時也是超導磁鐵線圈的支撐內(nèi)筒。磁鐵制造過程中，需要將平繞的校正子線圈扣在支撐筒上，以形成馬鞍型的線圈結(jié)構(gòu)，包絕緣后再繞制主螺線管和反螺線管。繞制螺線管線圈時，采用了4個活動的G10擋板來實現(xiàn)螺線管線圈之間和螺線管線圈與鐵軛之間的隔離，最左側(cè)的G10擋板還作為校正子超導線接頭的連接骨架。為保證超導磁鐵與其上下游BPM及超導Spoke腔的連接，需要在磁鐵的前后端面的壓緊法蘭上預留連接螺釘孔，采用鋁鎂合金密封墊圈來實現(xiàn)束流真空盒的密封。圖4中的壓緊法蘭的另外一個作用是在線圈與鐵軛組裝時提供預壓緊力，以防止螺線管線圈在運行時因較大的排斥力而出現(xiàn)的失超。反螺線管線圈前后兩個端面處的鐵軛厚度僅為7mm，并且在BPM一側(cè)，為適應(yīng)連接大法蘭需要，還挖出了一個直徑160mm、深1mm的圓形凹槽（圖2的下端面鐵軛）。

圖4 超導短磁鐵本體結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Mechanical drawing of the body structure of the shortmagnet.

7塊超導磁鐵、7個超導Spoke腔和7個BPM共用一個低溫恒溫器，它們共用同一個真空腔體，因此超導磁鐵本身不再需要液氮冷屏。為減少低溫系統(tǒng)的復雜性，超導磁鐵選用了與超導Spoke腔同樣的液氦冷卻方式，即采用2.1K、3000 Pa的浸泡式冷卻，它是通過減壓降溫的方法將4.2 K、105Pa的液氦進一步冷卻來實現(xiàn)的。在鐵軛的外側(cè)是由5 mm厚做成的不銹鋼外殼作為液氦容器的外筒，在液氦容器的前端面有液氦預冷孔，而實際運行時的供液管路位于磁鐵的上部。

因2.1 K液氦壓力小，磁鐵電流引線不能再采用傳統(tǒng)的氣冷電流引線，而是要采用類似于LHC (Large Hadron Collider)中超導校正子，以及德國電子同步加速器研究所(Deutsches Elektronen Synchrotron, DESY) 歐洲X射線自由電子激光器(European X-Ray Free-Electron Laser, XFEL)超導四極磁鐵的傳導冷卻式電流引線[4]。為減少對低溫端的漏熱，需要對傳導漏熱和焦耳熱進行逐級攔截。對于ADS低溫系統(tǒng)設(shè)計，低溫恒溫器提供了80 K的液氮冷屏和5 K氦氣冷屏，可以在磁鐵電流引線的不同位置通過加熱錨的方式來實現(xiàn)對電流引線漏熱的逐級吸收。有關(guān)ADS超導磁鐵電流引線的設(shè)計請參考文獻[5]。圖5為超導磁鐵本體及電流引線的三維集成圖，左下為超導磁鐵本體，4根彎管為電流引線及信號線，右上為儲氣罐及電流引線與電源的接線排，電流引線頂部有氦氣儲氣罐，目的是為了更方便地將超導磁鐵從低溫恒溫器中撤卸下來。

圖5 超導磁鐵三維結(jié)構(gòu)集成圖Fig.53D structural drawing of the superconducting magnet.

3 超導磁鐵失超保護

ADS超導磁鐵的失超保護采用主動保護方式。根據(jù)文獻[6]所提供的計算方法，確定在50 ms失超探測時間內(nèi)，如果沒有外部的泄能電阻，當磁鐵能量全部釋放到磁鐵線圈上時，超導磁鐵線圈內(nèi)部的最高溫度為40 K。這是極端的情況，而實際中螺線管的儲能不大，約為4.1 kJ，選用1Ω、2 kW的泄能電阻足以對螺線管線圈進行保護。校正子選用了1?、200 W的保護電阻。每塊磁鐵只需要6個失超探測通道，其中主螺線管線圈中點焊接有電壓抽頭，占用兩個探測通道，兩個反螺線管各有一個通道，兩個校正子各有一個探測通道。

失超探測程序采用VC++6.0編寫，包括初始化部分、自檢部分、探測部分和通知電源的動作部分。圖6是超導磁鐵長磁鐵做低溫垂直測試時出現(xiàn)在260A下的失超，曲線所記錄的是磁鐵切斷電源前后電壓信號的變化情況，每個點的采樣時間間隔為10 ms。而發(fā)現(xiàn)的一個奇怪現(xiàn)象是在磁鐵電源關(guān)斷時，每個通道的電壓信號僅為20 mV，只要電源打開，無論磁鐵有無電流，干擾信號就會出現(xiàn)并最高達到400 mV，并且干擾信號的幅值并不隨電流而增加。經(jīng)查明，這種干擾信號來自于電源中絕緣柵雙極型晶體管 (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT)所帶來的尖峰干擾，頻率為25 kHz，它會影響失超探測，并引起失超判斷的誤動作。通過加入移動平均的方法消除這種尖峰干擾信號，每個通道中以5個連續(xù)的采集數(shù)據(jù)作為一組進行求平均，并隨著采集數(shù)據(jù)逐步向前移動。

圖6 未經(jīng)過移動平均處理的電壓采集信號Fig.6 Voltage signals before the moving average processing.

經(jīng)過移動平均處理的信號比未處理的光滑平滑了許多。處理后所設(shè)定的失超探測電壓信號閾值可以大大降低。圖7為經(jīng)過移動平均處理采集電壓信號，并記錄下螺線管在308A下的一次失超。

圖7 經(jīng)過移動平均處理前后的采集電壓信號Fig.7Voltage signals after the moving average processing.

4 低溫垂直測試和磁場測量

超導磁鐵的低溫垂直測試，需要將沒有焊接磁鐵外殼的裸磁鐵吊裝到低溫測試杜瓦的頂法蘭上。圖8是裸磁鐵的吊裝情況，從杜瓦頂部一直貫穿到磁鐵處是一個帶有真空夾層的常溫隔離筒，為磁場測量提供常溫的運動空間。在杜瓦頂法蘭安裝到杜瓦筒體內(nèi)之后，將磁場測量平臺再安裝在測試杜瓦的頂部。磁場測量平臺上下移動的行程為460 mm，足以覆蓋ADS超導磁鐵的磁場。三維高斯計探頭安放在測量管中，測量管可以在常溫隔離筒的內(nèi)部上下移動。

圖8 裸磁鐵安裝在杜瓦頂法蘭下的吊裝結(jié)構(gòu)Fig.8 Schematic structure of bare magnet hanged on the topflange of the test dewar.

螺線管線圈的設(shè)計運行電流為210A，螺線管經(jīng)過50 A、100 A、150 A、200 A、230 A這5個升流臺階后到達了260A并未出現(xiàn)失超。隨著電流的升高，螺線管與反螺線管之間的排斥力按照電流平方關(guān)系成比例增加，必然會對磁鐵帶來不良影響，因此停止了螺線管的升流，并將兩個校正子電流分別升至20A，均未出現(xiàn)失超現(xiàn)象。在聯(lián)合勵磁維持15min后，利用電加熱器對磁鐵進行誘發(fā)失超，失超探測如期啟動并對超導磁鐵進行了保護。對螺線管磁鐵的三維磁場測量，分別進行了在100A、150A、190 A及230 A電流下的磁場測量，每個間隔步長為2 mm。從測量結(jié)果來看，螺線管不同電流下在Spoke腔處的漏場均小于2 G，比設(shè)計值略高，是由高斯計的溫度補償系數(shù)存在的誤差所致，實際觀測到測量隔離筒內(nèi)的溫度達到了-60°。圖9為磁鐵勵磁后再將電流降為0 A后的本底磁場的磁場測量結(jié)果。可以看出，在螺線管和反螺線管的同步區(qū)域有很大的剩磁，但總的積分磁場接近于零。這種現(xiàn)象是由于超導狀態(tài)下，NbTi超導絲所攜帶的持續(xù)電流所致[2]。

圖9 超導線持續(xù)電流效應(yīng)所產(chǎn)生的剩磁場分布Fig.9 Residual magnetic field distribution of the solenoid arisen from the persistent current effect.

5 結(jié)語

由于空間長度的限制，加速器物理設(shè)計要求的ADS超導磁鐵長度僅為170 mm，相比300 mm長磁鐵的設(shè)計方案，難度增加了很多。在積分磁場要求不變的情況下，主反螺線管之間排斥力大大增強，對磁鐵的物理和結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了非常高的要求。對兩塊短磁鐵的低溫垂直測試結(jié)果表明，其積分磁場和漏場均達到了設(shè)計要求，并在其運行電流的120%狀態(tài)下沒有出現(xiàn)失超。2014年底，其中的兩塊短磁鐵已經(jīng)完成在測試低溫恒溫器中的組裝。2015年1月，兩塊超導磁鐵已經(jīng)和超導腔一起分別實現(xiàn)了在4.2 K和2.1 K下的測試運行。在磁鐵運行過程中，由于Spoke腔饋功率引起了液氦液面的突然下降，導致兩次超導磁鐵的失超，失超探測系統(tǒng)及時地探測到了磁鐵的失超并切斷了磁鐵電源，對超導磁鐵實現(xiàn)了及時的保護。

1 Peng Q L, Wang B, Chen Y, et al. Physical design of superconducting magnet for ADS injection[J]. Chinese Physics C, 2014,38(3): 037002. DOI: 10.1088/ 1674-1137/ 38/3/037002

2 Peng Q L, Xu F Y, Wang T, et al. Design and test of a superconducting magnet in a linear accelerator for an Accelerator Driven Subcritical System[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2014,A764: 220-226. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.nima. 2014.07.034

3 Opera manager user guide[R]. Version 14R1. Vector Fields Software, 2011

4 Barrarino A. Current leads for the LHC magnet system[J].IEEE Transaction on Applied Superconductivity, 2002,12: 1275

5 Wang B, Peng Q L, Yang X C, et al. Current leads for superconducting magnets of ADS injector I[J]. Chinese Physics C, 2014,38(6): 067004. DOI: 10.1088/ 1674-1137/38/6/067004

6 Green M A. Quench protection and magnet power supply requirements for the MICE focusing and coupling magnets[R]. Oxford Physics Engineering Report 15, LBNL-57580, 2005

Development and testing of the short superconducting magnets for ADS injection I

PENG Quanling1LAI Rong1YANG Xiangchen1XU Fengyu2

1(Institute of High Energy Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)
2(Harbin Institute of Technology,Harbin 150006,China)

Background:The Accelerator Driven Subcritical System (ADS) uses a proton beam incident on a target to produce neutrons used in a nuclear reactor to process spent fuel in two ways: to accelerate its decomposition into non-radioactive waste, and to increase the rate at which it is recycled into nuclear fuel. Two cryomodules, each consisting of 7 superconducting spoke cavities, 7 superconducting magnets and 7 beam position monitors, are used to accelerate the proton beams from 3.2MeV to 10MeV. The superconducting magnet contains a solenoid for beam focusing and two correctors for orbit correction, it is a key component for ADS injection.Purpose:This study aims at a short superconducting magnet design to meet the required integral field strength and to reduce the leakage field at the nearby superconducting spoke cavities. The design current for the solenoid is 210 A.Methods:The main solenoid and two bucking solenoids plus the iron yoke were used to meet the leakage field requirements which is less than 1 G at a distance of 270 mm from the solenoid center. In order to shorten the magnet length to 170mm, special design methods were taken for the magnet cryostat by removing two conflicts flanges and replacing them with the direct Al ring seal methods. A kind of conducted the current leads similar as that of Large Hadron Collider (LHC) corrector magnets was applied to the 2.1-K, 3 100-Pa cryogenic system. The small store energy magnet led to the introduction of active quench detected system, which is much more reliable. Two short magnets and two spoke cavities were installed inside a test cryomodule to test the online operation properties of the SC magnet and the SC spoke cavity.Results:A quench performance in the vertical test shows that the operating current of the solenoid magnet can reach above 300 A after natural quenching on three occasions during current ramping (260A, 268A and 308A). Online operating test shows that two magnets can work at 4.2K and 2.1K, respectively. The quench protection system worked well when two quenches occurred as the liquid helium level decreased.Conclusion:The online operation for the two magnets confirms the physical and the mechanical design, the reliability of the quench detection technique.

Bucking solenoid, Quench detection, Vertical test, Persistent current effect

TL99

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.090202

中國科學院戰(zhàn)略發(fā)展先導專項未來先進核裂變能(No.XDA03021101)資助

彭全嶺，男，1967年出生，1998年于中國科學院高能物理研究所獲博士學位，研究員

2015-03-02，

2015-04-10

CLCTL99