[实用新型]一种超导组元磁场控制系统

说明书

本实用新型公开了一种超导组元磁场控制系统，其特征在于，包括多层磁屏蔽结构、磁场测量及退磁系统、磁场补偿系统；多层磁屏蔽结构包括一恒温器外筒，恒温器外筒内设有低温磁屏蔽结构和常温磁屏蔽结构；常温磁屏蔽结构安装在恒温器外筒与低温磁屏蔽结构之间；低温磁屏蔽结构由内外两层磁屏蔽体构成，内层磁屏蔽体包裹在超导腔液氦槽外侧，外层磁屏蔽体设在所述内层磁屏蔽体外侧；磁场测量及退磁系统，用于实时测量恒温器外筒不同空间位置的磁场大小和超导腔传感器所在位置的环境磁场；以及对恒温器外筒、超导组元进行退磁处理；磁场补偿系统，用于对超导腔环境磁场进行调节控制。本系统可以实现超导腔磁场环境的灵活设置，提升了超导组元的性能。

技术领域

本实用新型涉及一种高性能超导组元磁场控制系统，属于粒子加速器、超导低温技术领域。

背景技术

为了更深入的探索研究物质的深层次结构，揭示自然界的奥秘和规律，并推动基础研究在技术领域的应用，超导加速器已经成为科学家们关注的焦点。超导加速器能够在很短的距离内将粒子加速到较高的能量，可以让这些高能粒子相互对撞进行高能物理研究，也可以利用粒子发出的射线进行生命物质、材料结构的分析研究。因此国内外多个超导加速器大科学工程装置应运而生，如美国正在建造的直线加速器相干光源(LCLSII)、上海硬X射线自由电子激光装置(SHINE)、多个国家计划联合建造的未来国际直线对撞机项目(ILC)，以及由中国科学院高能物理研究所提出的未来环形对撞机(CEPC)等工程项目,为了高的电子束能量需要大量的超导组元。

超导组元是超导加速器的关键核心设备，其作用是为带电粒子提供能量，相当于汽车的发动机。超导组元主要由超导腔、耦合器、调谐器、恒温器等多个部分构成，结构复杂。超导组元内部的超导腔浸泡在液氦中工作在2K～4.2K的温度，腔内部是高真空，耦合器、调谐器与超导腔集成到一起工作在恒温器内部的隔热真空环境中，恒温器外部是大气室温环境。

由于超导组元的制造工艺复杂，配套低温设备等价格昂贵，运行成本高，因此需要进一步提高超导组元性能，减少超导组元的数量，降低超导加速器建造和运行的成本。超导组元性能的一个重要性能参数是超导腔的表面电阻，降低超导腔的表面电阻可以提升超导腔的Q₀值，减小低温损耗，超导腔也可以工作在更高的加速梯度下，从而达到降低成本的目的。影响超导腔表面电阻的一个重要因素是超导腔所处环境的磁场，超导组元降温过程中，当超导腔降至超导转变温度时会发生磁通俘获，环境中的磁场会被钉扎在超导腔中，导致超导腔的表面电阻升高。因此需要对超导组元的磁场进行有效控制，降低超导腔所处的环境磁场，以便降低超导腔的表面电阻，提升超导组元的性能。超导腔所处的环境磁场主要受三个方面的影响：地磁场、恒温器筒体剩磁，以及工装部件剩磁。需要有效的方法对上述三个方面的磁场进行控制，降低超导腔所处的环境磁场；能够根据需要对超导腔所处的环境磁场大小进行调整，以便开展超导腔电磁特性的实验研究；并可以将环境磁场补偿至可以接受的安全限内保证超导腔的高Q₀性能不受外界磁场影响。

目前国内外通用的降低超导腔环境磁场的方法是通过高磁导率的材料加工成筒体，并安装在超导腔外表面对环境磁场进行屏蔽处理，如图1所示。磁屏蔽按照在恒温器筒子内部，超导腔外侧。此方案存在以下缺点和不足：

(1)对超导腔的环境磁场屏蔽只能到10mGs左右，很难再降低，不能满足高性能超导腔的要求，并且磁屏蔽筒开孔，也会降低对地磁及周围设备部件剩磁的屏蔽效果；

(2)无法对磁屏蔽内部超导腔工装部件磁场进行屏蔽补偿；

(3)当超导组元变换位置方向后，超导腔环境磁场也会由于空间位置的变化而变化；

(4)无法灵活设定和改变超导腔区域的环境磁场，对超导腔进行性能测试研究。

以上四点在一定程度上影响了超导组元的性能，不利于超导腔性能改进提升的实验研究，对高性能超导组元大规模应用和降低运行成本也造成一定影响。

实用新型内容