4.9超导磁体-BESCollaboration.docVIP

超导磁体 概述 磁体系统是谱议的关键部件之一，它提供高强度和一定均匀度的恒定磁场，供主漂移室测量带电粒子的径迹，用以研究基本粒子间的相互作用和规律。超导磁体利用轭铁提供磁场回路。 根据BESIII物理工作的需要，要求主漂移室有高的动量分辨率，但主漂移室的动量分辨率主要由室内物质的多次库仑散射决定，此时改进室的空间分辨率和测量次数（增加灵敏丝的层数）以改进测量统计性都不能改进动量分辨率，而增加磁场强度可以达到这一目的。但另一方面，如果磁场强度过高，更多的低能量粒子会陷在漂移室内打圈而很难测量。综合各种因素，选择北京谱仪磁铁的中心磁场设计值为1.0T。 为避免在粒子径迹拟合时做过多的离线计算机校正，要求径迹区内磁场不均匀度较小。但由于线圈工艺复杂，体积宏大，加工生产中必然会产生不圆度。另外由于各子探测器电子学的需要，轭铁上电缆孔很多，参照BESII的情况，目前仍将不均匀度指标定在≤5%。基于主漂移室IV动量分辨率的要求，磁场测量精度应≤0.1%。 根据北京谱仪BESIII的物理要求，参照国际上同类磁体的设计进经验，确定采用单层线圈结构，间接冷却方式，超导电缆采用基于纯铝稳定体的设计。根据总体和内部子探测器的尺寸要求，初步确定磁体外形尺寸长度为4.9m，内直径为2.75m外直径为3.4m，线圈的长度为3.52m，线圈中心直径为2.95m。 若取线圈电流为3000A，，其中可得1m长的线圈匝数为n266匝，超导电缆沿线圈轴向方向的厚度为3.7mm，考虑到匝间的绝缘层的厚度后，线圈总匝数为921匝。考虑到线圈绕制时，由于超导电缆的连接会减少线圈的有效匝数，现将工作电流定为3150A。 线圈的储能 = 9.5兆焦耳。从 =6063.6韦伯，，得出电感= 2.1亨利。 考虑到在发生失超时，线圈吸收全部储能，最大温升控制在70K以下，从超导电缆的焓差，可以确定超导电缆沿线圈径向方向的高度尺寸为20mm。 超导线圈通电后，会产生很大的径向扩张力，需要设计一个支撑圆筒来箍住线圈，支撑筒必须是无磁材料，具有良好的焊接性能和机械强度。国外一般采用A5083铝，由电磁力和强度计算结果，其厚度定为15mm。线圈中的冷物质包括超导电缆、支撑筒、止口环、冷却管等，重量约为3.6吨。 超导磁体磁路设计时，除了满足给径迹区提供均匀磁场的要求外，还需要将轭铁分成多层，做μ子的吸收体，每两层轭铁之间留出空间安装μ子探测器，轭铁桶部9层，端盖9层。为了保证径迹区的磁场均匀度，在两端设计磁铁极头，以构成较好的磁场回路。超导磁体的基本参数如下表。 表4.9-1 BESIII低温杜瓦 内半径 1.375m 外半径 1.7m 长度 4.91m 线圈 半径 1.475m 长度 3.52m 导体尺寸（矩形） 3.7mm*20mm 电气参数 中心场强 1.0T 工作电流 3150A 电感 2.1H 储能 9.5MJ 冷物质 3.6ton 辐射厚度 1.92X0 冷却时间 ≤7 天 失超恢复时间 ≤1 天 超导电缆的工作电流为3150A(@4.5K)，工作磁场为1T，需要选用工作电流为6300A(@4T4.2K)的线材。参考BELLE探测器使用的铌钛线材，在4T下的临界电流密度为JC=2600A/mm2(@4.2K)，超导线中铌钛与铜的比例约为1:1，则6300A时所需要的铌钛面积为2.42mm2而超导线的截面积约为4.84mm2，所以，采用超导线的截面为宽1.3mm、高3.8mm。 下图为超导螺旋管磁体线圈复合超导电缆的横截面结构。 图4.9-1 超导电缆横截面示意图 针对螺旋管磁体超导电缆截面的特殊性，需要采用特殊的绕线工艺和装配工艺，控制导线张力、匝间层间绝缘性能及处理多段导线的连接接头。线圈在工作时要产生的径向扩张力由支撑筒来承担，在采用内绕工艺绕制线圈时，有利于线圈贴紧这个支撑筒的内壁。 磁场分布计算 为了了解磁场的两个主要参数，即径迹区的磁场均匀度和沿束流线的漏磁，我们对多种轭铁配置方案进行分析计算。考虑总体和MUON1～940，40，30，30，30，50，80，80，50mm；桶部轭铁的厚度从1～9层分别为3030，30，40，40，80，80，80，150mm。磁场分布结果如下图。在不考虑加速器超导四极铁影响的情况下，分别用OPERA软件和ANSYS软件计算场分布，两者的结果一致，结果显示MDC径迹区内的磁场均匀度为2%；反螺线管加电后，径迹区均匀度为13%；在离对撞点中心3.5m处，漏磁为54高斯。若再考虑桶部和端盖轭铁之间的电缆槽里，还有一些铁的五角形垫块，则3.5m处的漏磁会低于50高斯。另外，考虑到加速器的ISPB和Q1磁铁对探测器漏磁有特殊要求，我们也对多种能减小漏磁的局部屏蔽