WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

Магнитное Ток, Энергия в Энергия в Энергия в Полная поле, В, Т I, А соленоиде экране железе и др. энергия 0,6 480 31,8 (60%) 9,2 (17%) 12,5 (23%) 53,0,74 592 38,9 (47%) 20,4 (25%) 22,0 (28%) 81,0,8 640 42,9 (45%) 23,0 (23%) 31,1 (32%) 1,0 800 62,8 (42%) 31,7 (21%) 55,5 (37%) Проведен анализ полученных измеренных характеристик соленоида при срыве сверхпроводимости. Действие одного вторичного контура приводит к уменьшению амплитуды тока в соленоиде при срыве по формуле:

I1 = I0, где I0 – начальный ток в соленоиде, I1 – ток в соленоиде при 1 + действии вторичного контура, 1 – собственное время затухания соленоида на сопротивлении СП кабеля, 2 – собственное время вторичного контура (экрана). Например, при температуре СП кабеля около 50 К 1 = 0,162 с, 2 = 0,024 с, что приведет к уменьшению амплитуды в 0,87 раз. Поскольку температура СП кабеля непрерывно повышается при затухании тока, то действие вторичного контура будет увеличиваться.

Проведена оценка максимальной температуры СП кабеля после срыва сверхпроводимости. За основу взята формула адиабатического выделения тепла в СП проводе при срыве:

T Cp(T)dT U(T) = = (1- ) j0(t) t, (T) 4,где j0 – плотность тока в медной матрице, t – общее время затухания, Сp, – удельная теплоемкость и сопротивление СП кабеля, – коэффициент заполнения сверхпроводника. Было показано, что при расчете по этой формуле температуры СП кабеля после срыва без учёта вторичных контуров, температура СП кабеля превысила бы температуру 1200 К, т.е. температуру плавления меди.

Общее время затухания, t, включает время распространения нормальной зоны вдоль СП кабеля, например от точки зарождения нормальной зоны до входа в соленоид. Затухание тока в соленоиде зависит от скорости нагрева кабеля и скорости повышения температуры в элементах обмотки. Оба этих процесса зависят от плотности тока в проводе, как это было описано в главе 2. Также из Таб. 2 видно, что действие вторичных контуров уменьшается при срыве на малых токах. Отсюда был сделан вывод, что для секционированного соленоида КМД-3 максимальная температура СП кабеля будет при токах, имеющих отношение Iраб/Iкрит < 50%.

В ходе испытаний на стенде получены следующие результаты:

достигнут ток в соленоиде 1 кА (93% от проектного), рис. 4.

При этом на обмотке магнитное поле составляло 1,74 Т (115% от проектного), а температура на соленоиде была около 4,6 К (выше на 0,3 К проектной), рис. 5. При таком токе соленоид сжимался осевой силой величиной около 19 т, которая в детекторе будет составлять не более 6 т (изза насыщения железа). Данные результаты позволяют утверждать, что соленоид способен работать в детекторе при проектном значении магнитного поля.

Криогенная система успешно выдержала магнитные испытания соленоида: наполнение гелиевой емкости не вызывало заметных скачков температуры на соленоиде; при срыве сверхпроводимости не было отмечено никаких отрицательных последствий для системы. Охлаждение соленоида показано на рис. 6.

Таким образом, испытания показали, что соленоид и криогенная система готовы к работе на детекторе КМД-3.

В пятой главе описана работа соленоида и криогенной системы в детекторе КМД-3. Соленоид и криогенная система были установлены в детектор и прошли серию испытаний в течение полутора лет. Магнитное поле в детекторе поднималось до 1,38 Т. Стабильный расход гелия составлял около 3,5 л/ч (минимальное значение 3,1 л/ч). Соленоид испытал 19 срывов на детекторе при токе от 480 до 980 А. Успешно прошли испытания все элементы криогенной системы, которые были спроектированы для работы в детекторе. Установлено заметное влияние вихревых токов на конструктивные элементы детектора при срыве сверхпроводимости соленоида. Это следует считать особенностью срыва для секционированного соленоида, поскольку характерное время затухания тока в соленоиде составляло 45 мс, что почти на порядок выше, чем у соленоидов с СП кабелем, имеющим алюминиевый стабилизатор.

400 quench 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Time (h) Рис. 4. Ввод тока в соленоид при испытаниях.

Рис. 5. Сравнение проектной величины критического тока – точка А и полученной в испытаниях – точка Б.

Current (A) Рис. 6. Охлаждение соленоида. На рисунке показано понижение температуры на концах соленоида и понижение уровня гелия в сосуде Дьюара.

На рис. 7 показано затухание магнитного поля и косвенно тока в соленоиде. Срыв сверхпроводимости был искусственно спровоцирован источником питания, можно считать, что соленоид перешел в нормальное состояние целиком, в течение 5 мс. Из рисунка хорошо видно, что ток в соленоиде – напряжение на участке высокоомной матрицы СП преобразователя V1, спадает за ~ 45 мс, тогда как магнитное поле падает за 160 мс. Существование магнитного поля после 45 мс связано с протеканием токов вихревых, но в соленоиде ток почти затух. Это ещё одно подтверждение сильного действия вторичных контуров при срыве сверхпроводимости.

B B(max)/e VDV1(max)/e -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 time, msec Рис. 7. Затухание тока и магнитного поля при искусственном срыве сверхпроводимости при 13,5 кГс. В – магнитное поле, V1 – напряжение, Voltage, V; Magnetic field, kGs пропорциональное току в сверхпроводящей цепи. Точками отмечено уменьшение соответствующей величины в 2,718 раз.

В таблице 3 приведена статистика срывов соленоида за всё время работы с ним. В таблице 4 показаны энергетические параметры по срывам сверхпроводимости в зависимости от различных причин и условий испытаний. Хорошо видна зависимость: чем выше ток, тем меньше энергии усваивает соленоид. Срыв СП трансформатора приводит к появлению напряжения в СП цепи, которое греет шунты соленоида. Это приводит к срыву соленоида целиком, что также уменьшает количество усвоенной соленоидом энергии. Таким образом, срыв соленоида спасает СП трансформатор от повреждения.

Таблица 3. Статистика всех срывов сверхпроводимости.

Причина срыва Количество срывов I, A 1. СП трансформатор достигнут предельный ток 2 сбой в работе 7 713-2. СП кабель на входе в соленоид тепловое пятно 6 480-механическое крепление 1 3. Криогенная система переливной сифон 2 713, ухудшился вакуум 1 ошибка при переливе гелия 1 4. Принудительный срыв 3 800, 5. Тепловое пятно на соленоиде 1 Всего срывов Срыв СП кабеля является наихудшим вариантом срыва в СП цепи, особенно на малых токах, в этом случае соленоид усваивает больше энергии, как описано в предыдущей главе. Таблица 4 позволяет качественно оценить работу конструктивных элементов детектора в роли вторичных контуров.

Например, в будущем можно искусственно размещать медные кольца с нужной 2 на торцах соленоида для защиты при срыве.

Рассмотрены дальнейшие возможности по созданию соленоидов с рекордно малой радиационной толщиной на основе метода секционирования, что позволит получить рекордно тонкие соленоиды для детекторов элементарных частиц.

Таблица 4. Влияние условий срывов на температуру соленоида Тс и на количество энергии усвоенной соленоидом после срыва Ес.

I, A Тс, К Ес, кДж Ес/Епол, % Условия срывов, причины 480 37 31,8 59,4 испытания, СП кабель 640 41 42,9 45,1 испытания, трансформатор 800 46 62,8 41,9 испытания, пр. трансформатор 480 42 46,9 74,9 без колец BGO, СП кабель 713 49 74,8 55,0 без колец BGO, СП кабель 713 47 66,1 48,6 без колец BGO, вакуум 856 52 91,1 46,2 без колец BGO, СП кабель 927 53 97,3 41,9 без колец BGO, трансформатор 749 47 66,1 43,8 с кольцами BGO, трансформат.

927 50 78,7 33,9 с кольцами BGO, трансформат.

927 52 91,1 39,3 с кольцами BGO, СП кабель 984 53 97,3 37,1 с кольцами BGO, СП кабель 892 51 84,9 39,5 с кольцами BGO, трансформат.* 960 54 103,5 41,3 с кольцами BGO, трансформат.* 960 55 109,8 43,8 с кольцами BGO, СП кабель* Проведено сравнение соленоида детектора КМД-3 с тонкими соленоидами для детектора WASA и самым тонким Bess-Proto, изготовленным для экспериментов на аэростате. Радиационная толщина обмотки соленоида КМД-3 уступает соленоиду Bess-Proto на 0,03Х0, но общее сравнение с учетом достигнутых магнитных полей и количества материалов всех элементов конструкции соленоидов показывает, что разница в радиационных толщинах этих соленоидов не превышает 0,01Х0.

Учитывая большие перепады температур после срыва сверхпроводимости в соленоиде Bess-Proto, в пределах 20-140 К по длине соленоида, было сделано утверждение, что тонкие соленоиды на основе алюминиевого стабилизатора находятся на пределе технологических возможностей. При этом в соленоиде КМД-3 заметных перепадов не было обнаружено, а общая температура не превышала 55 К, Таб. 4. Это позволяет также утверждать, что разработанная технология создания сверхпроводящих соленоидов на основе метода секционирования может быть в дальнейшем продолжена.

В Заключении перечислены основные результаты работы:

1. Разработан и испытан тонкий соленоид, имеющий радиационную толщину одну из минимальных среди соленоидов разработанных ранее. Тонкий соленоид позволит измерять энергию частиц с более высокой точностью.

2. Разработана пассивная защита соленоида от срыва сверхпроводимости, приводящая к диссипации менее 45% запасенной энергии в соленоиде при рабочих значениях тока.

3. Разработана и испытана криогенная система, позволяющая использовать жидкий гелий, охлаждающий соленоид косвенным образом за счет естественной конвекции, а также использующая испаряющийся гелий.

Испытания показали надежность и эффективность работы системы.

4. Магнитная система детектора испытала большое количество срывов сверхпроводимости, что подтверждает её надежность и работоспособность.

Отмечено значительное влияние вихревых токов на конструктивные элементы детектора из-за очень быстрого затухания магнитного поля при срыве.

5. Полученные результаты можно использовать для проектирования соленоидов, имеющих меньшую радиационную толщину. Также можно проектировать экономичные сверхпроводящие магнитные системы, использующие сверхпроводящие преобразователь и секционированный магнит, например, при создании сверхпроводящих вигглеров.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

[1] L.M. Barkov, N.S. Bashtovoy, A.V. Bragin, et al. “Superconducting magnet system of CMD-2 detector”, IEEE Transactions on Applied superconductivity, p. 4644, n.4, vol.9, 1999.

[2] L.M. Barkov, A.V. Bragin, et al. “Development of the superconducting solenoid for the CMD-2M detector”, NIM A 494 (2002) pp. 270-273.

[3] L.M. Barkov, A.V. Bragin, et al. “Power supply system for the superconducting solenoid for the CMD-2M detector”, NIM A 494 (2002) pp. 274-276.

[4] S.V. Karpov,.. Bragin A.V. et al “Superconducting power supply for thin superconducting solenoid of the CMD-3 detector”, IEEE Transactions on Applied superconductivity”, 2006, vol. 16, p. 1642.

[5] Э.В. Анашкин,.. Брагин А.В. и др., «Криогенный магнитный детектор КМД-2», ПТЭ, 2006, №6, с. 50.

[6] A.V. Bragin, et al “Test results of the thin superconducting solenoid for the CMD-3 detector”, IEEE transactions on Applied superconductivity”, 2008, vol. 18, p. 399.

БРАГИН Алексей Владимирович Тонкий сверхпроводящий соленоид для детектора КМД-

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Сдано в набор.17.10. 2009 г.

Подписано в печать 17.10. 2009 г.

Формат 60x90 1/16 Объем 1.0 печ.л., 0.8 уч.-изд.л.

Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № Обработано на PC и отпечатано на ротапринте «ИЯФ им. Г.И. Будкера» СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева,

Pages:     | 1 ||






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