合肥同步辐射加速器超导Wiggler磁体系统改造可行性研究

论文导读:：6T超导Wiggler磁体是合肥国家同步辐射加速器的重要部件，于1998年调试成功。目前，发现超导Wiggler磁体系统液氦消耗量大幅增加，预冷时间大幅度延长。因此有必要对超导Wiggler磁体系统进行改造，设计超导Wiggler磁体的液氦零挥发系统，以减少液氦的消耗，降低运行费用，同时通过实验评估4K G-M制冷机工作时振动对超导Wiggler磁体的影响。
论文关键词：同步辐射，Wiggler磁体，零挥发，振动
 

1 引言

6T超导Wiggler磁体是合肥同步辐射加速器的重要部件，它使光源的应用范围由真空紫外和软X波段扩展至1?左右的硬X射线领域，Wiggler磁体系统后面现连接有三条硬X射线光束线站：XAFS光束线站、X—光衍射光束线站、LIGA光束线站，这三条光束线站自运行以来，贡献出很多重要科研成果。Wiggler磁体是采用NbTi低温超导线绕组和铁芯组合的方式，有三对磁极为单周期结构^(1-3)。Wiggler磁体系统运行已有13年，其设计使用寿命为10年左右。Wiggler磁体系统液氦消耗量设计值约为每天40升，实际测量值约为每天50升。2009年8月之前，液氦日均消耗量约为56升，3-4天输液一次，2009年8月到2010年5月，液氦日均消耗量约为81升，相比之下增加了约44%的消耗量物理论文，2-3天要输液一次。液氦消耗量的剧增，直接导致了每年运行经费多增加约100万元，操作人员的工作强度增加。超导磁体运行安全性下降，液氦消耗过快有可能会导致失超。目前液氦价格很高，供应紧张。液氦供应量不足时，Wiggler磁体系统就无法运行，为保证三条光束线站的持续稳定的运行，大幅降低运行成本，有必要对Wiggler磁体系统进行升级改造^(4-6)。

2 Wiggler磁体系统改造目标

2.1改造主要内容

为解决液氦消耗量大幅增加的问题，以及更进一步降低液氦消耗量，降低运行成本，拟将当前的Wiggler磁体系统改造成液氦零挥发系统论文提纲怎么写。由于液氦零挥发系统引入小型制冷机，需要对制冷机工作时振动对Wiggler磁体的影响进行评估，判断是否能达到合肥国家同步辐射实验室提出的振动限定要求，以避免振动对同步辐射光源的性能造成影响。

2.2改造的主要性能指标

改造后的Wiggler磁体系统主要性能指标如下：

(1)保持束流管道高度1400mm不变；

(2)实现液氦零挥发系统；

(3)Wiggler磁体的振动幅度小于1μm；

(4)Wiggler磁体系统整体高度降低。

3 Wiggler液氦零挥发系统振动评估

由于合肥国家同步辐射实验室对Wiggler磁体的振动提出限定要求，因此在液氦零挥发系统设计时，需要考虑隔振，振动的主要来源是小型制冷机。建立一个三位直角坐标系，选定一个垂直地面的方向为Z方向，选定相应的一组平行于地面且相互垂直的两个方向为X、Y方向。

3.1 单个制冷机的振动测试

采用振动采集仪分别测量住友公司的4KG-M制冷机和南京柯德超低温技术有限公司的4K G-M制冷机的二级冷头的Z方向位移振动，将传感器固定在二级冷头的位置，振动实验测量装置如图1所示。振动实验测量获得的数据与文献[7]中的数据如表1所示。从表1数据可以看到，制冷机没有工作时，其二级冷头的Z方向振动位移峰峰值为0.669μm，是由测试环境造成的，比如测试环境中的其他运行的设备、大地的脉动等等；制冷机工作时物理论文，实验测得住友公司的4K G-M制冷机二级冷头的Z方向振动位移峰峰值为28.661μm，文献中住友公司的4K G-M制冷机二级冷头的Z方向振动位移峰峰值为26μm，两个数据比较接近。测试环境、测量设备、4K G-M制冷机的运行状态等因素的不同会导致两个数据产生一些差异，也说明振动采集仪和测量方法是可靠的。

图1 4K G-M制冷机振动实验测试装置

表1 4K G-M制冷机振动实验Z方向振动位移比较

3.2 Wiggler磁体的振动评估模拟实验

使用制冷机的低温系统结构一般如图2所示，设计使用制冷机的小振动低温系统的关键在于：如何减小cold head与coldstage传递到低温系统上的振动。振动的传递路径主要有以下两个：

(1)从cold head→波纹管→300K外筒→悬挂支撑→液氦容器及其内部的wiggler磁体

(2)从cold stage→铜软连接→冷屏→悬挂支撑→300K外筒→悬挂支撑→液氦容器及其内部的wiggler磁体

其中路径(1)是最主要的。

制作用于Wiggler磁体的振动评估模拟实验的真空装置、与含wiggler磁体的下液氦筒等重量的等效配重块，按照Wiggler磁体的悬挂方式，将配重块采用8根钢丝悬挂，制冷机通过硬波纹管减振器安装在真空容器的上法兰盖上，振动传感器穿过孔到真空容器外部，孔采用胶密封，以便能提供一定的真空度，避免制冷机运行时cold stage大量结冰，实验装置如图3所示。在制冷机组不同状态时，测量真空容器上法兰若干位置和配重块的Z方向振动位移峰峰值，分别如表2、3所示。

图2 低温系统结构概念图图3 实验装置

表2真空容器上法兰若干位置的Z方向振动位移峰峰值

表3 配重块的振动比较

从表2的数据可以看出，波纹管减振器的减振效果很明显，波纹管减振器上部的Z方向振动位移峰峰值为39.08μm，振动传递到波纹管减振器下部时，Z方向振动位移峰峰值为3.99μm。从表3的数据可以看出，不论制冷机是停止还是工作状态，X、Y方向的振动位移基本不变，主要是地基等测试环境因素产生的振动，制冷机工作产生的振动，对配重块的影响主要是Z方向。由于采用硬波纹管减振器，测得配重块的Z方向振动位移峰峰值为1.312μm，实验过程中又分别使用另两种减振机构物理论文，即焊接波纹管、波纹管+钢丝绳悬挂替换硬波纹管减振器，均测量了配重块的Z方向振动位移，具体数据如表4所示，其中波纹管+钢丝悬挂的减振机构减振效果最小，配重块的Z方向振动位移峰峰值为1.145μm。

表4 三种减振结构下配重块的Z方向振动位移峰峰值

三种减振机构分别如图4、5、6所示。在使用波纹管减振的基础上，将cold head固接或悬挂在连接到大地上的刚性装置上，将cold head的一部分振动引出，使得传递到波纹管的振动幅度减小。

图4 硬波纹管减振机构 图5 焊接波纹管减振机构

图6 波纹管+钢丝绳悬挂减振机构

从表4的数据，可以看出波纹管与钢丝绳悬挂相结合的减振机构效果最佳，但装置结构相对复杂。焊接波纹管的减振效果仅比硬波纹管好一点，焊接波纹管波纹焊缝多，相比硬波纹管，达到高真空密封难度更高，价格更贵。在整个实验过程中，采用的都是4K G-M制冷机。实验给出的隔振结果，合肥国家同步辐射实验室已经可以接受论文提纲怎么写。

目前，脉冲管制冷机4.2K的冷量也在不断提高，如表5所示。对于cold head 的振动，4K脉冲管制冷机比4K G-M制冷机的小两个量级，其振动对比数据⁽⁷⁾如表6所示，如果在制冷机冷量满足的情况下，使用脉冲管制冷机替代G-M制冷机，会进一步减小传递到配重块的振动。

表5 CRYOMECH和住友公司的小型制冷机冷量对比

4 Wiggler液氦零挥发系统结构概念设计和热分析

由于当前Wiggler系统液氦消耗量增大，而液氦价格日益高涨，拟在现有系统的基础上改造，将其设计为液氦零挥发系统物理论文，以减小对液氦的依赖和降低运行成本。

4.1 Wiggler液氦零挥发系统结构概念设计

结合当前Wiggler系统的一些现有资料，概念设计Wiggler磁体液氦零挥发系统，如图7所示，其中上液氦筒容积约为100升，整体高度由1805mm降到1485mm，并保持束流管道高度1400mm不变，整个设备高度的降低有利于安排整个中国科学技术大学国家同步辐射实验室安排整个改造计划。整体结构由：4K G-M制冷机、冷头容器、上下液氦筒、上下部冷屏、拉杆系统、上端盖等组成。相比当前的Wiggler系统，改造后的系统引入4K的小型制冷机和二元电流引线。二元电流引线的高温超导部分运行在临界温度以下，处于超导态，几乎不产生焦耳热，同时高温超导带材的热导率也低于铜等常规电流引线材料，进而减小传导热。同时在结构设计上减小传递到4K系统的热负荷，进而实现Wiggler液氦零挥发系统。

图7 Wiggler系统改造结构概念设计图

4.2 Wiggler液氦零挥发系统热分析

热负荷计算中⁽⁸⁾，均未考虑冷氦气吸收带走的热量，热负荷计算数据是相对保守的，具有较高的安全性。整个零挥发系统电流引线无电流时的静态热负荷，如表7所示。

表7零挥发系统电流引线无电流时的静态热负荷

可以实现Wiggler液氦零挥发系统。

5结论

参考文献
[1]刘乃泉等，6万高斯超导Wiggler的研制和调束，核科学与工程，18(4) (1998)，346~349.
[2]蒋迪奎等，6T超导扭摆磁铁的特殊真空问题，低温与超导，25(3)(1997)，16~21.
[3]何晓业等，6T超导扭摆磁铁的特殊准直问题，原子能科学技术，34(1)(2000)，8~13.
[4]Tomoyuki S, etal., Design and manufacture of superconducting magnet for the Wiggler inSAGA-LS, Proceedings of IPAC’10，Kyoto，Japan.
[5]M. Sasaki, etal., Development of superconducting wiggler at NIRS， Proceedings of EPAC 2002，Paris，France.
[6]A.M. Batrakov,et al., Superconducting wave length shifters and multipole wigglers developedin Budker INP，Proceedings of the Second Asian ParticleAccelerator Conference，Beijing，China，2001.
[7]Takayuki T, etal., Vibration analysis of cryocoolers, Cryogenics, 44(2004), 309~317.
[8]Jack W. Ekin, Experimentaltechniques for low-temperature measurements: cryostat design, material properties,and superconductor critical-current testing,OUP Oxford，2006,174~177.