九游体育app(中国)官方网站线圈在纵向也可能发生相对移动-九游体育「NineGame Sports」官方网站

大型强子对撞机（LHC）的束流推销系统升级包括在LHC晶格中加多更多的推销器。这些推销器的纵向空间不错通过用更短但更强的偶极磁铁替换一些LHC主偶极磁铁来获取，这些偶极磁铁与LHC晶格以及现存的供电电路、低温系统和束流真空环境兼容。好意思国费米国度加快器施行室（FNAL）和欧洲核子推敲中心（CERN）正在纠合开展一个旨在莳植一个顺应安装在LHC中的5.5米长双孔径铌三锡（Nb3Sn）偶极磁铁原型的开垦技俩。算作技俩的第一阶段，正在莳植并测试1米和2米长的单孔径模子。在后续阶段九游体育app(中国)官方网站，这些模子中的带护套的线圈将在两个施行室中以双孔径建树进行拼装和测试。

在CERN，开垦并莳植了一个由单线圈构成的2米长的扩充模子，该线圈由铌三锡电缆绕制而成，定名为MBHSM101。该扩充模子还是完成，并在4.3开尔文和1.9开尔文下进行了测试。这个扩充模子的特色是基于可拆卸极面主张的带护套线圈，S2玻璃电缆绝缘层粉饰在云母层之上，以及由烧结不锈钢制成的带有弹簧腿的线圈端部停止件。本文描写了该扩充模子的主要特色、主要制造措施以及低温测试的收尾。

一、小序

在欧洲核子推敲中心（CERN）的高亮度大型强子对撞机技俩（HL-LHC）框架内，贪图在色散扼制区域用更短但具有沟通积分场的偶极磁铁替换部分LHC主偶极磁铁，以便在LHC晶格中为特地的推销器提供纵向空间。这种新式偶极磁铁将是一个11T的双孔径磁铁，长度为5.5米，当今由位于日内瓦的CERN和位于好意思国巴塔维亚的费米国度加快器施行室（FNAL）纠合开垦。算作11T偶极磁铁技俩短模子贪图的一部分，CERN制造了一个扩充模子，以考据制造进程和器用，为制造十足代表性的单孔径和双孔径模子磁铁作念准备。

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图1. 扩充模子MBHSM101迥殊带护套线圈组件的横截面。

CERN和FNAL的想象基答允趣沟通，举例王人使用在分离的护套中拼装的余弦θ型线圈中的Nb3Sn导体；CERN和FNAL开垦的主张之间存在一些相反，以推敲不同的贬责有规画。举例，CERN采用极面加载和基于特地云母层的电缆绝缘，而FNAL采用集成极面主张。

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二、扩充模子的主要特色

2.1 描写

扩充模子是一个由一个超导线圈构成的单孔径模子，另一个线圈由铜缆制成。每个线圈由56匝构成，内层22匝，外层34匝。铜楔由高性能铜合金DISCUP C3/30氧化物迷漫强化（ODS）铜制成。其在640℃响应后的屈服极限约为300MPa，而无氧铜（OF-copper）的屈服极限不会卓绝30MPa。响应后并用环氧树脂浸渍的线圈被5层125μm厚的聚酰亚胺薄膜制成的接地绝缘层包围。通过使用奥氏体钢YUS130S制成的护套、可拆卸极面和粉饰两层的加载板（如图1所示），已毕刚性夹紧和最小化线圈几何面容的变形。在极楔和加载板之间安装垫片以凭据需要调遣标的预应力。还不错在极楔和护套鼻部之间进行特地的垫片调遣，以便在模子贪图时期安装和测试不同的垫片。如有需要，也不错在中平面或径向安装垫片。然后将带护套的线圈拼装在由低碳钢制成的垂直分阵势轭铁和12mm厚的AISI 304L制成的放松缸中。

图2. 电缆绝缘有规画。

轭铁叠片具有一个锥形弱点，外径处的启齿收尾为0.1mm，在放松缸焊合过程中关闭，并在磁场强度达到12T时保抓关闭。当轭铁弱点关闭时，口头上0.4mm的护套-轭铁垫片在键区域产生20μm的干预，确保了系数这个词组件的刚性，因为在这个单线圈组件中，大部分预应力由护套提供。纵向力，每个极面约21.5吨，由316LN不锈钢制成的55mm厚端板承担。

线圈端子通过焊合畅达到Nb-Ti电缆，该电缆镶嵌在浸渍线圈中的计议中，以幸免在脆性Nb3Sn电缆之间制作计议的攻击。

2.2 电缆和绝缘

超导线圈使用的电缆是一种14.70mm宽的梯形鲁瑟福型电缆，由40根直径为0.7mm的股线构成。其在50MPa压力下的中厚度为1.25mm，梯形角为0.79°。这些尺寸是针对未响应的裸导体给出的。股线是牛津超导时期公司分娩的Restacked Rod Process（RRP）型，具有108/127堆叠建树，这意味着股线有108个Nb3Sn子元件。电缆有一个25μm厚的不锈钢芯，以幸免在磁铁励磁过程中酿成电流环。芯部镌汰了股线间的临界电流。与Nb-Ti电缆比较，该电缆的结识性较差，股线更容易弹出，这使得绕制操作愈加细密。

在最大想象磁场12T、4.2K时的电流密度Jc为2560A/mm²。口头上的铜与超导体（Cu到SC）比率为1.15±0.10，RRR>100。

电缆绝缘故80μm厚的C形云母箔构成，该云母箔折叠在电缆周围，并编织有75μm的S-2 11Tex玻璃纤维，如图2所示。与FNAL所作念的比较，云母箔是特地加多的一层。在粘合剂固化和响应过程中，厚度减少到约110μm。

三、装配措施

3.1 绕制

超导线圈（编号105）的绕制过程中，电缆的张力在200N到250N之间。两个线层是从一个电缆单位长度绕制的，即在层间提升处莫得计议。第一层在精准的绕制芯轴上绕制，然后用陶瓷粘合剂（CTD-1202-X陶瓷基体）固化，以将线匝粘合在全部。第二层在第一层上绕制。两层之间摒弃了由0.25mm玻璃纤维制成的两层绝缘层。外层绕制后也进行了固化。固化在150℃的模具中进行，以获取所需的线圈几何面容。在此操作过程中，线圈的标的压力约为15MPa。为了使绕制操作愈加容易，并幸免损坏编织纤维，一些端部停止件具有生动的腿部，即提供必要生动性的搭钮，如图3所示。端部停止件由304不锈钢制成，并通过采用性激光烧结工艺分娩，这在制造方面提供了很大的生动性，即在面容迭代方面具有较短的盘活时辰。

图3. 带有搭钮的端部停止件，提供绕制过程中的生动性。

3.2 响应

将线圈摒弃在响应夹具中，并在纯氩腻烦围中加热至210℃保抓48小时，400℃保抓48小时，以及640℃保抓50小时，以酿成超导Nb3Sn化合物。包括升温阶段在内，响应周期抓续时辰略长于8天。响应夹具的想象方式是，在系数这个词模具闭合和响应过程中，线圈所承受的最大压力永远不会卓绝35MPa。由于Nb3Sn的酿成，电缆径向蔓延1%，厚度蔓延3%，因此夹具想象允许线圈相干于夹具移动。由于热蔓延和放松，线圈在纵向也可能发生相对移动。从与线圈全部响应的见证样品中测量得到，在1.9K时Jc为466A，在4.22K时Jc为480A，均在12T的磁场中。测量得到的RRR在88到230之间。

3.3 浸渍

响应完成后，将线圈滚动到灌封模具中，在用环氧树脂CTD-101K浸渍之前，用氮气冲洗两小时以摈斥水分。关于浸渍，将模具加热至60℃并抽真空至0.09毫巴。然后冉冉地向模具中填充树脂，直到溢出约1公斤的树脂为止。团聚需要领先在110℃下保抓5小时，然后在125℃下保抓16小时。

3.4 线圈垫片调遣和接地绝缘

在超导磁铁中，线圈的预应力至关遑急。为了正确成立预应力，使用配备有触觉测量球的3D测量臂对线圈进行测量。每隔15厘米沿着线圈测量一个横截面，而况每个给定横截面的测量点集诀别与CAD模子进行拟合。线圈直线部分（即不包括头部）的横截面被分为左侧和右侧。之外径和加载板算作参考口头。图4清晰了线圈在中平面处的尺寸大致大了0.4毫米。通过调遣极楔上的侧向和顶部垫片来抵偿这少量，以确保线圈在达到最大磁场12T时长久处于压缩景况，同期保抓最大应力低于145MPa。此外，将一层125微米厚的接地绝缘层替换为50微米厚的层，而况移除了粉饰铜线圈中平面的萍踪（见下文描写）的复返部分，从而特地获取了150微米的空间。通过ANSYS模拟细则了极面垫片的调遣，而况收尾是安装了450微米厚的侧向极面垫片和口头上200微米厚的顶部极面垫片。

图4. 在线圈105的一个横截面部分中进行的尺寸查验收尾。

3.5 电气仪器

在1.9K的测试过程中，需要电气仪器来保护和监测磁铁。

悉数有31个电压抽头（V-taps），其中15个分散在内层（IL），12个分散在外层（OL），另外4个位于Nb-Ti与Nb3Sn计议的两侧。系数电压抽头王人平直焊合在超导电缆的口头上，大多量位于电缆的边际，通过在浸渍线圈上挖出的一个小孔进行焊合。在内层和计议处，畅达平直与导线持续。在外层，畅达通过一个150微米厚的印刷电路板（称为萍踪）进行，该电路板还包含下文描写的淬灭加热器。系数导线，包括来自下文描写的机械仪器的导线，王人在线圈的引线端部的一个专用畅达盒中进行布线。为了镌汰电流并腐朽与仪器发生拦截性的电气短路，在每个电压抽头上串联添加了一个10千欧的电阻器，如图5所示。

图5. 左侧为带有萍踪和仪器导线的拼装极面。右侧为仪器布线的走向以及畅达盒内畅达外部布线的畅达器的吩咐。

在外层的外在面安装了两个淬灭加热器。它们由0.025毫米厚、19毫米宽的不锈钢条构成，位于低场（LF）块的中平面隔壁，以及在高场（HF）块的极面隔壁为24毫米宽，以便在温度裕度较高的区域提供更多的热量。这两个条带串联畅达。为了幸免在最终5.5米长的磁铁中产生更大的电压，不锈钢条带部分镀有5微米厚的铜层，以镌汰其总电阻。非镀铜部分之间的间距在LF为90毫米，在HF为130毫米，因为HF区域的淬灭传播在纵向方朝上更快。加热站的长度为50毫米。加热器镶嵌在两层聚酰亚胺绝缘薄膜之间。加热器与线圈之间的绝缘层由0.050毫米的聚酰亚胺和大致0.025毫米的环氧树脂胶构成。然后将萍踪粘附到线圈上，并在护套过程中在径朝上压缩到大致40MPa。

3.6 护套

护套操作提供了线圈预应力的大部分。预应力由每个部件的尺寸以及上述特地的垫片调遣来细则。轮流拼装的长臂护套，其腔体朝上和向下轮流，用一个在护套过程中产生32MN压力的压机夹紧线圈。在夹紧过程中，护套通过其垂直位移也将极楔向内鼓舞。为了插入护套键，护套需要特地被压入0.1毫米，同期线圈中的最大应力保抓在145MPa以下。为了腐朽在护套过程中损坏线圈，在高下护套器用之间使用了机械止动装配，如图6所示。护套后，线圈中的最大应力约为70MPa，这比由两个超导线圈构成的竣工磁铁中的办法应力少约10%。通过有限元分析细则线圈中的应力，并通过粘附在护套上的应变片进行测量来阐述模子的准确性。

图6. 护套成立：使用机械止动装配来适度护套操作；图右侧的数值为以MPa暗示的应力。

3.7 焊合外壳和轴向力

护套完成后，将护套线圈与半轭铁、端板和放松缸拼装在全部。焊合过程包括使用冷弧工艺进行根部焊合，这是一种由EWM公司开垦的先进溶解极活性气体保护焊（MAG）焊合工艺，焊合速率在15到18厘米/分钟之间，焊炬有2毫米的舞动灵通。进行了四次填充焊合，使用脉冲MAG焊合，焊合速率在25到30厘米/分钟之间。焊合完成后，线圈中的预应力在17到63MPa之间，而在由两个超导线圈构成的竣工磁铁中，这个数值将在14到120MPa之间。然后将端板焊合至放松缸，并将枪弹规（每个极面两头各2个）拧紧至25牛顿米的扭矩，对应的轴向预载荷在8到9千牛之间。

3.8 机械仪器为了监测装配操作，需要机械仪器。外壳上安装了十六个应变片，以四分之一桥接方式畅达。在模子的两个部分中有8个测量点，外壳的两侧各有一个应变片，以便概况细则标的方朝上的拉伸和迤逦应变。安装了一个抵偿应变片以改良温度和磁场效应。

四、测试收尾

4.1 机械测量

放松缸中率领应力的测量收尾与贪图值一致，如图7所示。焊合后放松缸中测量的平均标的应力为175MPa，贪图值为180MPa。在1.9K时，测量的平均应力为304MPa，贪图值为377MPa。

图7. 在扩充模子的制造和测试过程中，放松缸中率领应力的演变。

4.2 淬灭性能

扩充模子在1.9K的垂直杜瓦罐中进行了测试。悉数进行了47次考研淬灭，在第42次考研淬灭后进行了一个热轮回至300K。淬灭历史如图8所示。在5次考研淬灭后达到了额定电流11.85千安，在16次淬灭后达到了竣工磁铁的额定磁场对应的电流14千安；在1.9K时达到了最大电流16.05千安，在4.3K时达到了15.56千安。在这些要求下，线圈中的峰值磁通密度诀别为12.9T和12.5T。 图8. MBHSM101的考研弧线，以电流和磁通感应强度算作淬灭次数的函数。

两个见证样品（从索要的股线制备）经过与线圈沟通的响应处理。凭据线圈中峰值场的贪图负载线，短样品极限被界说为在4.3K时为15.15千安，在1.9K时为16.7千安。在4.3K时淬灭电流高2%的原因，1%不错归因于见证样品的测量差错，而热轮回变化的不细则性则未知。

在15千安的电流下进行了40分钟的电流平台测试，并告捷通过，莫得发生淬灭。热轮回后的再行考研很是小，第一次淬灭发生在14.9千安。

4.3 加热器性能

由于加热器条带的宽度不同，低场（LF）处的峰值功率密度是高场（HF）的1.6倍。为了评估加热器的成果，在不同的电活水平下进行了加热器诱发的淬灭。探索了不同的峰值功率密度，限度从平均功率密度35W/cm²到120W/cm²。图9清晰了淬灭加热器延伸，并与标称数据进行了比较。淬灭保护旨趣在[7]中进行了描写。 图9. 在1.9K时，关于不同的加热器功率密度与磁铁电流（相干于二维短样品极限进行归一化）的淬灭加热器延伸的贪图值和测量值。

五、论断

制造一个由单个超导线圈构成的扩充模子被解释是展示CERN为11T偶极磁铁技俩开垦的制造进程和器用的灵验性的灵验措施。线圈的电气竣工性和导体性能（股线和电缆）也得到了展示。这些收尾为CERN往时使用Nb3Sn导体制造高场磁铁的发展奠定了坚实的基础。

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