基于氖制冷循环的高温超导磁体冷却研究

The study of HTS magnet cooling is a hotspot in Accelerator technology. The cooling temperature and temperature perturbation are the key factors for HTS magnet applied field, critical current density and thermal stability. Existing solutions can’t solve these problem. Therefore, the study puts forward a method of Neon refrigeration cycle with thermo-siphon pipe technology to improve stability temperature field for HTS magnet. A G-M refrigerator conduction cooling technology can cool the HTS magnet in a long time. Combined Neon thermo-siphon of high thermal conductivity and thermal switching characteristics, the temperature fluctuation in the excitation process of HTS magnet can be restrained, and the stability of the HTS magnet system can also be improved. The innovation point of this study is to achieve the technology of high applied field for HTS magnet. The project results will promote upgrade the study of HTS magnet in high field. And it is good scientific significance and application value in the field of higher energy future accelerator technology.

高温超导磁体冷却是加速器技术领域的研究热点之一，高温超导磁体的冷却温度及温度扰动是影响其场强和热稳定性的关键因素。现有的技术方案如G-M制冷机传导冷却或者过冷氮循环冷却方法等各自有其局限，因此本项目研究利用氖工质制冷循环结合低温热管的技术方法，为高场强的高温超导磁体冷却提供稳定温度场。本项目采用以小型制冷机为冷源的氖制冷循环，可以长时间的冷却高温超导磁体；结合氖低温热管的高导热率和热开关特性，可以提升高温超导磁体励磁过程中温度波动抑制能力，进而提高磁体系统的稳定性能。本项目以G-M制冷机为冷源的氖低温热管冷却高温超导磁体为创新点，预期成果将有助于促进高场强的高温超导磁体科学研究，在未来更高能量加速器技术领域有较好的科学意义和应用价值。

高温超导磁体是未来超导加速器的一个重要研究方向，对降低超导加速器的建造成本和功耗具有较大影响，其中高温超导磁体的冷却系统是影响高温超导磁体的运行和建造成本的重要因素之一。因此本课题开展了冷却高温超导磁体的氖制冷循环系统的研究，对工作温区在65~70K温度区间的高温超导磁体冷却循环方式、氖制冷循环的热力学性能和降温过程、低温振荡热管驱动机制和传热性能等内容开展了研究。通过研究：建立了冷却高温超导磁体的氖制冷循环模型；并进行了氖制冷循环热力学分析和动态降温模拟仿真研究；研制了一套低温振荡热管性能测试平台；基于有限元分析法设计和模拟仿真了低温振荡热管传热性能，并开展了仿真模型的有效性实验验证研究。利用建模计算得到了千瓦级氖制冷循环关键设计参数，氖制冷循环系统模型能够达到设定温区的高温超导磁体冷却需求；利用仿真模拟计算获得了氖制冷循环动态降温过程和各关键点温度参数，为系统控制策略研究提供参考。搭建的低温振荡热管测试平台，开展对低温振荡热管进行降温和性能测试；并提供热管冷凝端和蒸发端温度控制，温度测量精度达到±50mK；该测试平台能够根据测试需要设定低温振荡热管蒸发端和冷凝端的加热量；并实时对测试区低温振荡热管内压力变动进行测量。分析研究了低温振荡热管管内的流型与传热性能，得到低温振荡热管的管内流体的流型会由泡状流逐步过渡到柱塞流，并从蒸发端的全液状态扩散到整个低温振荡热管内部且非均匀分布，气柱与液柱的反复交替和气液两相的交变，是推动低温振荡热管的振荡建立和实现传热的主要原因。建立的低温振荡热管模拟仿真模型，分别进行模拟计算和实验验证研究，获得的压力振荡频率和振幅与实验基本吻合，有效导热系数的模拟与实验测试的结果数值误差范围是-8%，验证了建立的低温振荡热管的仿真计算模型的有效性。本课题的研究成果可以为后续大负载的高温超导磁体冷却研究提供参考，为未来超导加速器的应用贡献力量。