WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

На правах рукописи

БРАГИН Алексей Владимирович ТОНКИЙ СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ СОЛЕНОИД ДЛЯ ДЕТЕКТОРА КМД-3 01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики А В Т ОР Е ФЕ Р А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

НОВОСИБИРСК – 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

МЕЗЕНЦЕВ – доктор физико-математических наук, Николай Александрович Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

КОВАЛЕНКО – доктор физико-математических наук, Александр Дмитриевич Объединённый институт ядерных исследований, г. Дубна, Московская обл.

Институт сверхпроводимости и ВЕДУЩАЯ – физики твёрдого тела РНЦ ОРГАНИЗАЦИЯ «Курчатовский институт», г. Москва.

Защита диссертации состоится «» _ 2009 г.

в «_» часов на заседании диссертационного совета Д.003.016.01 Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

Адрес: 630090, Новосибирск-90, проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

Автореферат разослан: «_» 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук А.В. Бурдаков 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы В ИЯФ на накопителе ВЭПП-2000 будут работать два детектора элементарных частиц: сферический нейтральный детектор (СНД) и универсальный криогенный магнитный детектор (КМД-3). Основными параметрами элементарных частиц, измеряемыми в детекторах, являются энергия и импульс. Фундаментальным принципом определения импульса заряженной частицы является измерение кривизны траектории частицы в магнитном поле.

Целью данной работы является разработка тонкого сверхпроводящего соленоида для создания магнитного поля в центре детектора КМД-3.

Решение физических задач детектора КМД-3 с использованием сверхпроводящего соленоида определяет актуальность работы.

Многочисленные физические задачи детектора КМД-3 делятся на две группы: 1) прецизионное измерение фундаментальных констант и изучение фундаментальных симметрий физики элементарных частиц; 2) изучение эксклюзивных каналов адронных сечений и связанной с ними физики адронов при низких энергиях.

Основное требование к конструкции соленоидов физики элементарных частиц состоит в минимизации толщины соленоида в терминах радиационной длины. При этом элементарные частицы, проходя через элементы конструкции соленоида, будут терять меньше энергии, что уменьшает систематическую ошибку при измерении их энергии. Это требование является определяющим и для того, чтобы соленоид был сверхпроводящим, поскольку плотность тока в сверхпроводящем материале в тысячи раз выше, чем в традиционных резистивных магнитах, работающих при комнатной температуре.

Более 30 лет используются сверхпроводящие соленоиды в детекторах элементарных частиц. До настоящего времени существует устойчивая тенденция при создании соленоидов для физики элементарных частиц использовать сверхпроводящий кабель на основе NbTi/Cu, стабилизированный чистым алюминием, т.е. помимо традиционной медной матрицы кабель имеет объемную дополнительную часть из алюминия, рис.

1. Такой подход позволяет повысить стабильность магнита, особенно больших размеров, и защитить магнит при внезапном переходе в нормальное состояние – срыве сверхпроводимости. Выбор в пользу алюминия обусловлен его низким электрическим сопротивлением и прозрачностью для элементарных частиц. С середины 1980-х годов алюминиевый стабилизатор соединяться с основным кабелем методом экструзии.

Однако вплоть до середины 1990-х годов эти соленоиды были далеки от возможности иметь минимальную радиационную толщину. Это связано с малой механической прочностью сверхчистого алюминия, который играет второстепенную роль в сверхпроводящей обмотке. Этим обусловливается проделанная работа по повышению механической прочности алюминиевого стабилизатора, рис. 1.

Рис. 1. Примеры сверхпроводящих кабелей для детекторов физики элементарных частиц. Показано стремление увеличить прочность стабилизатора.

В ИЯФ существует опыт создания сверхпроводящих соленоидов, которые не используют СП кабель с алюминиевым стабилизатором – соленоиды детекторов КМД-2 и КЕДР. Витки сверхпроводящих обмоток этих соленоидов равномерно шунтированы – они впаяны в канавки нержавеющей бобины. Такой подход обеспечивает защиту соленоидов во время срыва сверхпроводимости и позволяет создать механически прочную обмотку. К основным недостаткам этих соленоидов относятся: очень маленькая величина межвиткового сопротивления и использование гелиевой ванны в качестве способа поддержания обмотки при гелиевой температуре.

Величина межвиткового сопротивления влияет на скорость подъема поля, потери гелия и создает трудности со стабилизацией магнитного поля в объеме детектора. Использование гелиевой ванны требует дополнительного материала в структуре обмотки и может создавать аварийную ситуацию при внезапном переходе соленоида в нормальное состояние. Радиационная толщина этих магнитов является достаточно высокой из-за использования в конструкции нержавеющей стали.

Разработанный соленоид детектора КМД-3 имеет следующие оригинальные конструктивные особенности, которые позволяют достичь минимальной радиационной толщины:

1) обмотка соленоида состоит из двух слоёв СП кабеля намотанного на алюминиевую бобину снаружи и изнутри. При этом электрически изолированный СП кабель уложен и вклеен в винтовую канавку, выточенную в бобине, что обеспечивает стабильность механическую обмотки;

2) витки обмотки разбиты по секциям по пять витков в каждой; каждая секция шунтирована сопротивлением – используется метод защиты путем секционирования. Величина шунтирующего сопротивления оптимизирована;

3) наружная и внутренняя поверхности соленоида покрыты полосками;

из сверхчистого алюминия с высокой теплопроводностью, для обеспечения гелиевой температуры и ускорения перехода обмотки в нормальное состояние. Для секционированной и сухой обмотки это новое решение;

4) жидкий гелий косвенно охлаждает соленоид, поступая в медную трубку на одном торце соленоида. Гелий находится в режиме пузырькового кипения при атмосферном давлении и пар уходит из трубки в результате естественной конвекции. Это позволяет эксплуатировать соленоид как обычный криостат.

Цель работы Разработка и изготовление тонкого сверхпроводящего соленоида детектора КМД-3, для обеспечения магнитного поля 1,5 Т в объеме 0,7 0,9 м. Радиационная толщина сверхпроводящей обмотки должна быть минимальной: на момент проектирования, 1999 г., она имела самое минимальное значение для детекторов физики элементарных частиц.

Разработка криогенной системы соленоида, которая должна использовать жидкий гелий, находящийся при атмосферном давлении в криостате и иметь оптимальный расход гелия.

Научная новизна 1. Разработан, испытан и установлен на детектор тонкий сверхпроводящий соленоид на основе оригинальной конструкции, имеющий радиационную толщину одну из минимальных в мире.

2. Разработана новая технология изготовления секционированной сверхпроводящей обмотки тонкого соленоида, сочетающая использование шунтов и полосок из сверхчистого алюминия. Впервые описано и экспериментально подтверждено действие двух пассивных способов защиты соленоида - секционирования и индуктивно связанных контуров.

3. Разработана и испытана криогенная система, охлаждающая секционированный соленоид в режиме естественной конвекции и за счет косвенного охлаждения обмотки. Показана работа такой системы при использовании только жидкого гелия, без использования жидкого азота. Система безопасно ведет себя при срывах сверхпроводимости в магнитной системе.

Практическая ценность работы Использование минимального количества материала для создания соленоида в детекторе КМД-3 позволит с лучшей точностью измерить энергию элементарных частиц внешними калориметрами детектора.

На основе полученных результатов можно разрабатывать секциониро-ванные соленоиды с рекордно низкой толщиной для детекторов элементарных частиц.

Также можно создавать и внедрять сверхпроводящие устройства, использующие секционированную защиту и СП преобразователь в качестве источника питания. Это позволит иметь надежные и компактные магнитные системы с малым расходом хладагентов.

Апробация результатов работы Основные результаты диссертационной работы докладывались на семинаре в Институте ядерной физики СО РАН и на следующих конференциях: МТ-17 (Женева, Швейцария, 2001), INSTR-02 (Новосибирск, 2002), МТ-18 (Мориока, Япония, 2003), МТ-19 (Генуя, Италия, 2005), МТ-(Филадельфия, США, 2007).

Личный вклад автора Автор участвовал во всех этапах создания соленоида: в разработке конструкции соленоида и криогенной системы, в проведении расчетов.

Непосредственно изготавливал обмотку, самостоятельно проводил испытания криогенной и магнитной систем и сделал анализ результатов.

Структура работы Диссертация состоит из Введения, пяти глав и Заключения. Объем диссертации составляет 146 страниц, содержит 65 рисунков и 15 таблиц.

Список литературы включает 83 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении кратко сформулированы основные задачи работы.

Обсуждены её актуальность и результаты предыдущих аналогичных разработок.

В первой главе приводится обзор тонких соленоидов для детекторов элементарных частиц. Подробно описывается традиционный подход к созданию тонких соленоидов на основе использования сверхпроводящего кабеля со стабилизатором из сверхчистого алюминия, рис. 1. Указаны достижения в разработке кабеля с алюминиевым стабилизатором. Описан опыт разработки метода защиты сверхпроводящих соленоидов на основе секционирования; двенадцатилетняя работа была проведена группой из ФИАН. Описано использование разновидности этого метода для создания соленоидов на примере детекторов КМД-2 и КЕДР. Приведены основания для создания тонкого соленоида для детектора КМД-3 на основе метода секционирования, а не с использованием алюминиевого стабилизатора.

Во второй главе описана схема детектора КМД-3. Основными компонентами магнитной системы детектора являются: соленоид, сверхпроводящий трансформатор и железное ярмо. Указаны конструктивные особенности размещения сверхпроводящего соленоида в общем вакуумном объеме вместе с LXe калориметром. Описана конструкция соленоида, рис. 2, имеющая толщину обмотки 0,085*Х0, таб. 1. Приведены магнитные, механические и тепловые расчеты соленоида.

Al alloy A support cylinder Al 99.999% NbTi/Cu LHe Cu tube st. steel tube epoxy resin A shunt 1.Рис. 2. Конструкция соленоида.

Особое внимание уделено расчетам распространения нормальной зоны при срыве соленоида, описано влияние шунтов. Описаны механизмы, ускоряющие срыв сверхпроводимости, оценена максимальная температура соленоида после срыва. Показано, что действие механизмов ускоряющих срыв сверхпроводимости увеличивается с приближением величины рабочего тока в соленоиде к критическому.

Подробно описаны этапы отработки технологии изготовления соленоида; указаны неустранимые серьёзные дефекты изготовления обмотки.

0.Таблица 1. Вклад элементов конструкции соленоида в радиационную толщину обмотки.

Толщина Радиац. толщина Доля мате- Материал X, мм X0 мм X/X0 риалов, % СП кабель NbTi/Cu = 1/1 0.68 17.7 0.0384 45.Бобина, Al 3.07 88.9 0.0345 40.Полоски, Al 99.999 % 1.0 88.9 0.0112 13.Шунты, Л63 0.001 14.3 6.0*10-5 0.Эпоксидный компаунд, C 0.22 188 0.0012 1.Итого по обмотке, Xtot 0.0854 Вакуумный объем, Al 2 88.9 0.Радиационные экраны, Al 2 88.9 0.Итого 0.В третьей главе описана разработка криогенной системы соленоида.

Особенностью криогенной системы является использование жидкого гелия при атмосферном давлении, который охлаждает соленоид с одного торца.

Наполнение гелиевой емкости осуществляется переливом из транспортного сосуда Дьюара, как для обычного криостата.

Жидкий гелий из накопительной емкости поступает в соленоид в результате естественной конвекции, при которой пар и жидкость идут на встречу друг другу по индивидуальным каналам коаксиальной трубки, рис.

3.

Испаряющийся гелий идет на охлаждение опоры соленоида и экранов криогенной системы. Такая схема позволяет использовать энтальпию гелия, что делает криогенную систему самосогласованной и эффективной, чем криогенная система, использующая жидкий азот для этих целей. Кроме этого, жидкий азот независимо используется криогенной системой LXe калориметра; эта система взаимодействует с криогенной системой соленоида и влияет на испаряемость гелия.

Приведены расчеты режимов эксплуатации криогенной системы.

Минимальный приток тепла к соленоиду составляют 1,4 Вт. Для охлаждения соленоида потребуется около 200 л жидкого гелия.

В четвертой главе описаны испытания криогенной системы и соленоида на отдельных стендах.

Проведены испытания гелиевой емкости, в результате которых были подтверждены расчетные параметры: испаряемость гелия составляла 2,л/сут. Описаны испытания криогенной системы на стенде при охлаждении соленоида до гелиевой температуры. Получены расчетные параметры охлаждения соленоида: охлаждение соленоида происходило за 14 часов при расходе около 200 л.

Испытания соленоида проходили в специальном вакуумном объеме, имеющим габариты близкие к проектному. Стендовое железное ярмо в испытаниях не имело полюсов, позволяющих получить однородное поле внутри соленоида. В связи с этим на краях соленоида магнитное поле было в 1,4 раза выше, чем в центре.

Рис. 3. Схема криогенной системы детектора КМД-3.

Соленоид подвергся пяти срывам сверхпроводимости по разным причинам на стенде. Ток при срывах составлял от 45 до 75% от проектного.

Подтверждено эффективное действие секционирования при срыве сверхпроводимости и действие вторичных контуров, баланс энергии при срыве показан в Таб. 2. Таблица построена на основе измеренной температуры обмотки после срыва, позволяющая вычислить выделившуюся энергию в обмотке. Аналогично вычислялась энергия в экране. Полная энергия вычислялась из моделирования с помощью ANSYS.

Таблица 2. Баланс энергии при срывах; энергия в кДж.

Pages:     || 2 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»