传导冷却型低温超导磁体系统的设计与实验

张海峰 叶海峰 章学华 丁怀况 武义锋

(1中国电子科技集团公司第十六研究所 合肥 230043)

(2安徽万瑞冷电科技有限公司 合肥 230088)

1 引言

随着4.2 K级小型低温制冷机技术的突破和高温超导材料的出现，采用小型低温制冷机冷却低温超导磁体的技术得到了快速发展［1］。利用4.2 K级小型低温制冷机二级冷头提供的冷量，可以将低温超导磁体冷却至5 K以下，使得超导磁体线圈处于超导状态下，为闭环无电阻运行提供必要的低温环境。

相比于液氦浸泡式的低温超导磁体系统，采用制冷机直接冷却的低温超导磁体系统具有以下优势:冷源单一，无需液氦等低温液体;操作简单，无需低温操作经验;结构简单，减小了液氦存储空间，系统结构轻便。介绍了一套采用4.2 K级制冷机作为冷量来源，直接冷却高温超导电流引线和低温超导磁体的超导磁体系统。

2 系统主要技术指标

(1)磁场强度0¯4 T连续可调;

(2)均匀区长度≥50 mm，均匀区直径≥40 mm;均匀区内的磁场不均匀度≤±5‰;

(3)超导磁体额定运行电流:≤70 A(4 T);

(4)室温孔径:Φ110 mm，室温孔轴向长度:360 mm。

3 直冷式低温超导磁体系统的设计

此次实验系统结构原理图如图1所示，此次实验系统主要由G-M制冷机、防辐射屏、超导磁体、高温超导电流引线等组成［2］。

图1 低温超导磁体系统结构原理图Fig.1 Structure diagram of low temperature superconducting magnet system

3.1 超导磁体的设计

超导磁体设计时首先要满足对磁场的要求，包括磁场在空间的分布和随时间的变化。其次要考虑超导磁体运行的可靠性，超导磁体的冷却以及磁体自身的失超保护［3］。此次超导磁体线圈结构参数见表1，磁体线圈由两组NbTi线绕制而成的超导线圈组成，结构上采用主线圈为主，线圈两端各设计一个补偿线圈，表1是磁体线圈的设计参数。当磁体线圈通入70 A电流时，中心磁场最大可达4.26 T，图2是低温超导磁体的磁场分布云图，图3超导磁体补偿线圈的电磁力计算云图。

表1 超导磁体主要设计参数Table 1 Main design parameters of superconducting magnet

图2 超导磁体的磁场分布云图Fig.2 Magnetic field distribution of superconducting magnet

图3 超导磁体补偿线圈的电磁力计算云图Fig.3 Electromagnetic force calculation of superconducting magnet coil

为了既保证线圈骨架的强度，同时降低磁体线圈骨架的传热温差，系统采用无氧铜和不锈钢叠加而成的复合骨架。骨架上同时设计有一定数量的环氧浸渍孔，保证线圈进行环氧浸渍时能够充分浸入线圈内部。

在绕制过程中，采用恒张力绕线机进行线圈的自动绕线，通过均匀的绕线速度、排线均匀性等保证线圈的性能。待线圈绕制完成后，在线圈外额外绕制一层无氧铜丝，以保证低温下超导线圈的收缩强度。待两组线圈绕制完成后，将两组线圈组成一个整体，再进行环氧真空浸渍，使得线圈成为一个整体，不留任何空隙，以防止导线运动。

3.2 高温超导电流引线的设计

电流引线是是磁体砺磁必需的部件，它的设计直接影响4.2 K级温区的漏热，设计不当会导致引线漏热过大而造成系统冷量不够。电流引线的设计是在满足设计电流的前提下，尽可能减少电流引线向低温冷头的漏热［6］。

此次高温超导电流引线结构上分为3段，LTS低温超导段、HTS高温超导段(4.2¯70 K)，铜引线段(70¯300 K)。电流引线结构图如图4所示。

图4 高温超导电流引线结构图Fig.4 Structure diagram of HTS

优化设计后的单根电流引线设计参数如表2所示。

表2 单根70 A电流引线的基本设计参数Table 2 Basic design parameters of single 70 A current leads

LTS低温超导段采用铜材基体承载NiTi合金线，与磁体线圈相连。HTS高温超导段采用高温超导材料Bi-2223/Ag-5.3 wt%Au，其特点在于该材料在液氮温区以下无阻承载电流大、导热系数小。极大程度降低高温区向低温区的传导漏热和焦耳热。由于HTS高温超导带材的强度较低，易折断，因此将低温段高温超导电流引线附着在不锈钢分流器上。同时，当高温超导带材失超时，分流器可以承载一部分电流，最大程度保护高温超导带材，避免大电流烧毁带材。HTS高温超导段上端固定在制冷机一级导热铜板上，导热铜板与制冷机一级冷头相连。HTS高温超导铜座与导热铜板之间用氮化铝垫片绝缘，氮化铝上下两面加铟片导热。氮化铝是一种导热性较好，导电性较差的脆性材料，强度较差，易碎。利用这种材料，既实现了HTS高温超导段与制冷机一级冷头的良好传热，又解决了电流引线与导热铜板之间的绝缘问题。铜引线段采用铜芯电缆，漏热由制冷机一级冷头来屏蔽。铜引线段与HTS高温超导段均采用环氧管与外界绝缘。

3.3 低温杜瓦的设计

低温杜瓦为超导磁体运行提供必要的低温环境，维持超导磁体的稳定运行。超导磁体通过环氧玻璃钢材料制作而成的拉杆吊装在磁体杜瓦的上法兰上，采用铜加工制作而成的防辐射屏与制冷机一级冷头连接，同样通过环氧玻璃钢材料制作而成的拉杆吊装在磁体杜瓦的上法兰上［4-5］。

在此次实验中，考虑到制冷机能否提供稳定的冷量会对超导磁体运行产生一定的影响，因此选用商用化成熟的日本住友公司SRDK-415D制冷机作为冷量来源。该制冷机二级冷头可在4.2 K温度下提供1.5 W的冷量，一级冷头可在50 K时提供35 W的冷量。制冷机二级冷头通过高导热系数的柔性连接部件与超导磁体、高温超导电流引线的低温超导段连接。制冷机一级冷头与防辐射屏、高温超导电流引线的高温超导端连接。

为实时监测制冷机和超导磁体的温度状态，在制冷机二级冷头、高温超导电流引线低温端、超导磁体上各安装有一只经标定后测量至1.4 K的CX-1010型电阻式温度传感器;在制冷机一级冷头、高温超导电流引线高温端和防辐射屏上各安装有一只PT1000温度传感器，并通过测温仪表采集温度。表3是此次低温超导磁体系统各个温度监测点的传感器情况。

3.4 低温超导磁体系统的漏热计算

低温超导磁体系统中制冷机一级冷头的主要热负荷包括［5-7］:(1)室温对防辐射屏的辐射漏热;(2)高温超导电流引线从室温端到一级冷头温度的固体传导漏热和焦耳热;(3)吊杆和支撑的固体传导漏热;(4)残余气体的对流漏热;(5)温度传感器的测量引线漏热。制冷机二级冷头主要热负荷的包括:(1)防辐射屏对超导磁体的的辐射漏热;(2)高温超导电流引线从一级冷头温度到超导磁体的漏热;(3)吊杆和支撑的固体传导漏热;(4)残余气体的对流漏热;(5)温度传感器的测量引线漏热。

表3 传感器布置位置与传感器类型表Table 3 Sensor placement and sensor type

通过漏热计算，系统两级温区漏热如表4所示。

表4 低温系统漏热计算Table 4 Heat leakage calculation of cryogenic system

3.5 二级冷头和超导磁体之间的热传导计算

由于直冷式超导磁体直接与制冷机二级冷头连接在一起，采用制冷机直接冷却，因此能否将超导磁体冷却至分流温度以下是超导磁体运行的前提，同时超导磁体的温度越低，运行的稳定性越高。

此次二级冷头和超导磁体连接在一起，主要为热传导，计算如下:

式中:Q为从冷头传向超导磁体的冷量，W;λ为无氧铜的导热系数，W/(m˙℃);A为导冷带的截面积，m2;ΔT为导冷带两侧的温差，℃;L为导冷带长度，m。

经过对RDK-415D制冷机进行了冷量测试，发现该型号制冷机在3.3 K时可提供0.5 W的冷量。因此设定二级冷头温度在3.3 K，导冷带的长度为L=220 mm，有效传热截面积约为A=5×10－4m2。

查得无氧铜的导热系数λ=473 W/m˙K将以上的数据带入公式计算得出ΔT=0.47 K。

所以可以得出超导磁体靠近二级冷头一端温度约为3.77 K，低于超导磁体设计的分流温度。

为进一步分析超导磁体运行的稳定性，对超导磁体在4.2 K下的热流和温度场进行Ansys仿真分析。仿真分析结果如图5和图6所示。通过Ansys仿真分析可知，超导磁体在4.2 K温度下，热流分布和温度场分布均满足超导磁体运行要求，超导磁体表面最大温差为0.7 K，最高温度为4.9 K，远低于超导磁体运行时的分流温度。

图5 超导磁体热流分布仿真云图Fig.5 Simulation image of superconducting magnetic flux distribution

图6 超导磁体温度场分布仿真云图Fig.6 Simulation image of superconducting magnetic temperature field distribution

4 传导冷却型低温超导磁体系统的实验

4.1 传导冷却型低温超导磁体系统降温实验

实验前，采用真空机组对低温超导磁体系统夹层进行抽空处理，减小因真空夹层残余气体分子产生的漏热影响。待夹层真空度优于1×10－3Pa后，开启G-M制冷机，进行降温。经过48 h后，超导磁体系统内温度降至3.8 K，图7是低温超导磁体系统的降温曲线图。

图7 低温超导磁体系统实验降温曲线Fig.7 Experimental cooling curve of low temperature superconducting magnet system

4.2 传导冷却型低温超导磁体系统励磁试验

用系统配备的专用励磁电源对磁体线圈加载电流，电流由0 A加至70 A，先后经历了两次失超锻炼，失超电流分别为41.2、56.9 A，第3次加载电流至70 A后，用霍尔元件测量室温孔中心处磁场强度，实测中心磁场强度为4.26T，室温孔中心线处磁场位型如图8所示。经测量计算，室温孔均匀区长度＞50 mm，均匀区内磁场不均匀度为±2.4‰。

5 结论

从实验结果来看，系统选用1.5 W@4.2 K的GM制冷机作为冷源，实现了低温超导磁体的直接冷却。加载电流运行后磁场强度达到设计值，均匀区内不均匀度优于指标要求。

图8 超导磁体系统磁场位型图Fig.8 Magnetic type map of superconducting magnet system

1 王秋良.高磁场超导磁体科学［M］.北京:科学出版社，2007:17-23.Wang Qiuliang.High field superconducting magnet science［M］.Beijing:Science press，2007:17-23.

2 Yeon Suk Choi.Optimal cool-down time of a 4 K superconducting magnet cooled by a two-stage Cryocooler［J］.Beijing:Cryogenics，2012，52 13-18

3 南和礼.超导磁体设计基础［M］.北京:国防工业出版社，2007:33-38.Lan Heli.Foundation Of Superconducting Magnet Design［M］.Beijing:National Defence Industry Press，2007:33-38.

4 张海峰，叶海峰，王福堂，等.零蒸发率低温超导磁体系统的设计与实验［C］.第十一届全国低温工程大会会议论文集，2013:323-326.Zhang Haifeng，Ye Haifeng，Wang Futang，et al.Design and experimental of zero rate evaporation of the low-temperature superconducting magnet system［C］.

5 严善仓，李 炜.制冷机冷却型超导磁体杜瓦的研制制冷机冷却型小型超导强磁场系统的研制［J］.低温与超导，2004，32(1):1-4.Yan Shancang，Li Wei.Development of a superconductor magnet system with G-M refrigerator cooling［J］.Cryogenic and Superconducting，2004，32(1):1-4.

6 叶海峰，何 智，章学华，等.150A高温超导电流引线设计与性能测试［J］.真空与低温，2011，增刊:232-239.Ye Haifeng，He Zhi，Zhang Xuehua，et al.The design and performance test for 150A current wire of high temperature superconductor

7 汪 汀.张萍萍.陈浩树.BESⅢ低温超导磁体线圈骨架及恒温容器的研制［J］.舰船科学技术，2011，33(3):12-15.Wang Ting，Zhang Pingping，Chen Haoshu.BESⅢ low temperature superconductive magnet coil skeleton and thermostat’s development［J］.Marine Sience and Tchnology，2011，33(3):12-15.