[发明专利]一种异型大尺寸高温超导磁铁

说明书

本发明公开了一种异型大尺寸高温超导磁铁，该高场梯度高温超导磁铁用于组成圆形加速器的周期性产生扭摆轨道的磁铁组件，所述高温超导磁铁包括开口朝向加速器圆心且磁极垂直布设的蹄型磁极结构、磁气隙结构、线圈组件、低温恒温室、线圈支撑结构，其特点是：所述异型大尺寸高温超导磁铁的磁极结构为大半径范围变气隙磁极结构、所述线圈组件为采用高温超导材料进行励磁的异型大尺寸高温超导线圈组件。本发明解决了高功率回旋加速器采用常温铜电磁线圈时主磁铁功耗难以降低，而采用低温超导线圈低温功耗难以降低的问题，从而可以有效降低高功率回旋加速器与束流流强无关的能耗，提升了加速器束流的能量效率。

技术领域

本发明属于加速器磁铁技术领域，尤其涉及一种高能(质子动能可达到2GeV)、强流交变梯度回旋加速器连续束加速的异型大尺寸高温超导磁铁。

背景技术

加速器驱动次临界反应堆(ADSR)系统，作为高功率质子加速器的重要应用，要求作为驱动器的高功率质子加速器具有较高的能量效率(定义为：束流功率/用电功率，Beamto Grid power efficiency：η＝P_beam/P_grid)。

瑞士保罗谢尔研究所PSI给出了强流回旋加速器中，总耗能的经验公式：P_grid(MW)＝P_constan(_tMW)+k(MW/mA)·I(mA)。上式中，P_grid是加速器的总耗能，P_constant是加速器与束流流强无关的能耗(如主磁铁功耗，真空系统功耗等，单位：MW)，k为随流强变化的功耗变化速率(单位：MW/mA)，I为加速器流强(单位：mA)。

在能量效率公式η＝P_beam/P_grid中，考虑到：P_beam＝E·I；其中E为加速器能量(单位：GeV)当加速器设计指标给定后是个定值，I为加速器流强(单位：mA)，因此为了提高加速器的能量效率，降低P_constant的大小是有效途径。

超导线圈几乎不损耗功率。由于超导材料的超导电性，超导线圈几乎不损耗功率，相对常温的铜电磁线圈可以大大降低高功率回旋加速器主磁铁的功耗，进而明显降低P_constant的大小。

在高功率加速器中，低温超导线圈的制冷耗能比高温超导线圈高很多。由于高功率质子加速器的束流流强很高，强流空间电荷效应下，控制束流损失比弱流强的加速器更加困难，即便可以做到弱流束加速器的最高引出效率，损失在加速器内部进而影响主磁铁超导线圈的热负载也是弱流束加速器的百倍甚至千倍。考虑到在低温超导材料工作的液氦温度(<4.5K)与高温超导材料工作的几十K温度下，相同的制冷量，前者比后者所需的低温系统的耗能以及低温系统的价格都高得多，有时可能多一到两个数量级。

常温铜电磁线圈限制了磁铁磁场的沿半径的变化范围。实现高能(质子动能可达到2GeV)、强流交变梯度回旋加速器连续束加速，必须要给束流提供足够的聚焦力，而提高聚焦力的一个重要手段就是实现磁铁沿半径方向大范围的磁场变化，即高的磁场径向梯度。采用高温超导线圈主磁铁的磁场可以轻易超过2.4T，结合磁铁变气隙磁极结构可以获得磁场高的径向梯度，而常温铜电磁线圈激励下的常温磁铁很难超过2.2T(纯铁的饱和磁场)、限制了磁铁磁场的沿半径的变化范围。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种高能(质子动能可达到2GeV)、强流交变梯度回旋加速器的异型大尺寸高温超导磁铁，目的在于解决现有技术回旋加速器磁铁由于常温铜电磁线圈激励下的常温磁铁很难超过2.2T，限制了磁铁磁场的沿半径的变化范围、以及制冷耗能高的问题。

本发明为解决其技术问题采取以下技术方案：