Тонкий сверхпроводящий соленоид для детектора КМД-3 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат технических наук Брагин, Алексей Владимирович

• Брагин, Алексей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Брагин, Алексей Владимирович

Введение

Глава 1. Сверхпроводящие соленоиды для детекторов физики элементарных частиц

1.1. Общие требования к соленоидам

1.2. Соленоиды, стабилизированные алюминием

1.3. Соленоиды с шунтированными витками

1.4. Особенности соленоида детектора КМД

Глава 2. Разработка и изготовление сверхпроводящего соленоида

2.1. Разработка сверхпроводящего соленоида детектора КМД-3. Описание конструкции

2.1.1. Магнитные расчеты

2.1.2. Выбор и характеристики сверхпроводящего провода

2.1.3. Описание конструкции

2.1.4. Шунтирующее сопротивление

2.1.5. Электрическая схема соленоида

2.2. Расчеты соленоида в основных режимах работы

2.2.1. Механическое воздействие на обмотку

2.2.2. Тепловые расчеты

2.3. Стабильность обмотки

2.3.1. Краткий обзор проблемы стабильности

2.3.2. Критерии стабильности

2.3.3. Стабильность соленоида детектора КМД

2.4. Срыв сверхпроводимости в соленоиде

2.4.1. Основные определения срыва сверхпроводимости

2.4.2. Механизмы, ускоряющие срыв

2.4.3. Оценка температуры элементов обмотки соленоида после срыва

2.5. Изготовление соленоида

2.5.1. Работа с макетом соленоида

2.5.2. Изготовление соленоида

Глава 3. Разработка и изготовление криогенной системы

3.1. Разработка криогенной системы соленоида

3.2. Описание системы криостатирования

3.3. Расчеты режимов криостатирования соленоида

3.3.1. Стационарный режим

3.3.2. Режим охлаждения гелиевой системы

Глава 4. Испытания криогенной системы и соленоида

4.1. Испытания гелиевой емкости

4.1.1. Описание и цели испытаний

4.1.2. Результаты испытаний

4.1.3. Сравнение результатов с расчетными данными. Выводы

4.2. Испытания криогенной системы

4.2.1. Задачи испытаний и описание испытательного стенда

4.2.2. Проведение испытаний

4.3. Испытания соленоида

4.3.1. Описание испытательного стенда

4.3.2. Проведение и результаты испытаний

4.3.3. Анализ полученных результатов

Глава 5. Работа соленоида в детекторе КМД-3 и дальнейшие перспективы разработки тонких соленоидов

5.1. Испытания магнитной системы в детекторе КМД

5.2. Возможности по улучшению конструкции тонкого соленоида

5.3. Сравнение параметров соленоида КМД-3 с другими соленоидами Заключение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Тонкий сверхпроводящий соленоид для детектора КМД-3»

В ИЯФ СО РАН им. Г.И. Будкера идет работа по созданию электрон-позитронного накопителя ВЭПП-2000, рассчитанного на энергию 2 ГэВ в системе центра масс. В накопителе используется метод круглых пучков с проект

32 2 1 ной светимостью 10 см" с" при энергии 1,9 ГэВ в системе центра масс [1].

На накопителе ВЭПП-2000 будут работать два детектора: сферический нейтральный детектор (СНД) и универсальный криогенный магнитный детектор (КМД-3). Основное отличие этих детекторов состоит в использовании магнитного поля для регистрации заряженных частиц - СНД не имеет магнитного поля. Многочисленные физические задачи детектора КМД-3 делятся на две группы [2]: 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.

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. Детектор КМД-3 содержит магнитный спектрометр для измерения импульса заряженных частиц.

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.

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 магнитах из меди, работающие при комнатной температуре.

Сверхпроводящий соленоид детектора КМД-3 проектировался, чтобы создать магнитное поле 1,5 Т в объеме 00,7м х 0,9 м. Радиационная толщина сверхпроводящей обмотки составляет 0,085 Хо - это одно из минимальных значений для соленоидов физики элементарных частиц.

В настоящее время существует устойчивая тенденция при создании соленоидов для физики элементарных частиц использовать сверхпроводящий провод на основе №>Т1/Си, стабилизированный чистым алюминием. Такой подход позволяет повысить стабильность магнита, особенно больших размеров, и защитить магнит при внезапном переходе в нормальное состояние. Однако вплоть до последнего времени эти магниты были далеки от возможности иметь минимальную радиационную толщину. Это связано с малой механической прочностью сверхчистого алюминия, который в принципе может рассматриваться как паразитный материал в структуре сверхпроводящей обмотки. Сама же обмотка должна иметь, прежде всего, жесткую структуру, чтобы выдерживать действие магнитного давления.

В ИЯФ существует опыт создания сверхпроводящих соленоидов, которые не используют стабилизированный алюминием провод - соленоиды детекторов КМД-2 и КЕДР. Витки сверхпроводящих обмоток этих соленоидов равномерно шунтированы - они припаяны в канавках нержавеющей бобины. Такой подход обеспечивает защиту соленоидов во время срыва сверхпроводимости и позволяет создать механически прочную обмотку. К основным недостаткам этих соленоидов относятся: очень низкая величина межвиткового сопротивления, высокая радиационная толщина и использование гелиевой ванны в качестве способа поддержания обмотки при гелиевой температуре. Очень низкая величина межвиткового сопротивления ограничивает скорость подъема поля, при этом создаёт дополнительные потери гелия, и требует дополнительного времени для стабилизации магнитного поля в детекторе. Использование гелиевой ванны требует дополнительного материала в структуре обмотки и может создать аварийную ситуацию при внезапном переходе соленоида в нормальное состояние.

Соленоид детектора КМД-3 имеет следующие конструктивные особенности, которые в совокупности делают его уникальным:

- витки сверхпроводящей обмотки шунтированы распределенным сопротивлением с целью защиты соленоида при переходе в нормальное состояние; величина этого сопротивления оптимизирована;

- величина шунтирующего сопротивления выбрана на много больше, чем у предшествующих соленоидов, что сводит к минимуму основной недостаток соленоидов данного типа: большое время ввода тока;

- каждый изолированный виток уложен и приклеен в отдельной канавке в бобине из алюминия, что увеличивает механическую стабильность обмотки;

- поверхность сверхпроводящей обмотки покрыта полосками из сверхчистого алюминия, что обеспечивает гелиевую температуру и ускоряет переход обмотки в нормальное состояние;

- жидкий гелий охлаждает соленоид, находясь в коаксиальной трубке на одном торце; гелий находится в режиме пузырькового кипения при атмосферном давлении. Пар уходит из трубки в результате естественной конвекции.

Работа над созданием соленоида КМД-3 состояла из следующих этапов:

1) разработка конструкции сверхпроводящей обмотки и гелиевой системы;

2) отработка технологии изготовления обмотки, создание испытательного стенда;

3) изготовление обмотки и криогенной системы;

4) испытания криогенной системы и соленоида на стенде и запуск системы на детекторе КМД-3.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Брагин, Алексей Владимирович

Основные результаты работы

1. Разработан и испытан тонкий соленоид, имеющий радиационную толщину одну из минимальных среди соленоидов разработанных прежде. Тонкий соленоид позволяет 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, и использующую испарившийся газообразный 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 малую радиационную толщину. Также можно проектировать экономичные СП магнитные системы, использующий СП преобразователь и секционированный магнит, например в создании СП вигглеров.

В заключение автор выражает глубокую благодарность Л.М. Баркову, чьё руководство сыграло главную роль в разработке конструкции соленоида и криогенной системы, а также за непрерывное участие и интерес на всех этапах данной работы. Автор очень благодарен В.П. Смахтину, пригласившему заняться этой интересной темой, проявляющему большой интерес к работе и многому меня научившему. Большая благодарность Ю.С. Попову, с которым автор проработал более 15 лет, первому руководителю и соавтору данной работы. Автор также благодарен Н.М. Рыскулову за большую работу при изготовлении соленоида, за творческий подход и за интерес к данной теме; С.Г. Пивоварову за большую конструкторскую работу и интерес; C.B. Карпову, разработавшему СП преобразователь и систему измерений криогенной системы и участнику всех испытаний системы; A.A. Рубану, разработавшему электронику для всей системы и проявляющему большой интерес к данной теме; В.Г. Варнакову, за техническую поддержку и помощь в работе; B.C. Охапкину, Н.С. Баштовому, A.A. Гребенюку за активную работу в проведении испытаний системы и непрерывное участие в испытаниях; В.Ф. Казанину и К.Ю. Михайлову за большую моральную поддержку. Также автор благодарен всем сотрудника лаб. 2, проявлявшим интерес к магнитной системе детектора КМД-3. Особую благодарность хочется выразить Б.И. Хазину за терпение и организацию работы.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Брагин, Алексей Владимирович, 2009 год

1. Yu.M. Shatunov et al "Project of a new electron-positron collider VEPP-2000", Proceedings of EPAC 2000, Vienna, Austria, p. 439.

2. B.M. Аульченко и др. «Проект детектора КМД-2М», Новосибирск, ИЯФ, 2001, препринт 2001-45. (Детектор КМД-2М переименован в КМД-3).

3. A. Yamamoto "Superconducting magnets advanced in particle physics", КЕМ A 453 (2000) p.445-454.

4. M.A. Green, R.A. Byrns, and S.J. Lorant "Estimating the cost of superconducting magnets and refrigerators needed to keep them cold", Advances in Cryogenic Engineering, 1992, vol. 37.

5. A. Yamamoto, T. Taylor, "Next step in the evolution of the superconducting detector magnets", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 18, no. 2, 2008, p. 362.

6. H. Desportes, J, Le Bars, G. Mayaux "Construction and test of the CELLO thin-wall solenoid", Advances in Cryogenic Engineering, 1980, vol. 25, p.175.

7. D. Andrews et al. A superconducting solenoid for colliding beam experiments", Advances in Cryogenic Engineering, 1982, vol. 27, p. 143.

8. H. Minemura, et al "Fabrication of a 3m0 x 5m superconducting solenoid for the Fremilab collider detector facility, Journal de Physique, Cl-1984, p. cl-333. Proceedings of Magnet Technology conference MT-8.

9. M. Wake et al "Construction and testing of bobbin-less superconducting solenoid magnet", Journal de Physique, Cl-1984, p. cl-341. Proceedings of Magnet Technology conference MT-8.

10. H. Desportes, J. Le Bars, C. Meuris "General design and conductor study for the ALEPH superconducting solenoid", Journal de Physique, Cl-1984, p. cl-341. Proceedings of Magnet Technology conference MT-8.

11. S. Sequeira Tavers "Aluminum alloy production for the reinforcement of the CMS conductor", IEEE Transactions on Applied superconductivity, p. 424, n.l, vol.12, 2002.

12. A. Yamamoto "Superconducting magnets advanced in particle physics", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 14, no. 2, 2004, p. 477.

13. A. Yamamoto "A thin superconducting solenoid magnet for astroparticle physics", Nuclear Physics В (Proc. Suppl.) 113 (2002) p. 299.

14. F. Pawlek and D. Rogalla "The electrical resistivity of silver, copper, aluminum, and zinc as a function of purity in the range 4-298 K", Cryogenics, no. 2, 1966, p. 14.

15. S. Mori, H. Hirabayashi, A. Yamamoto et al "Construction and testing of superconducting solenoid magnet model for colliding beam detector", Advances in Cryogenic Engineering, 1982, vol. 27, p. 121.

16. A. Yamamoto et al "Development towards ultra-thin superconducting solenoid magnets for high energy particle detectors", Nuclear Physics В (Proc. Suppl.) 78 (1999) p. 565.

17. J.E. Kunzler- Journal of Applied Physics, 1962, Suppl., vol. 33 (3), p.1042.

18. R.R. Hake et al "High Magnetic Fields". N.Y.John Wiley, 1962, ch. 32, p.324.

19. LJ. Donadieu, DJ. Rose, "High Magnetic Fields". N.Y.John Wiley, 1962, ch. 32, p. 358.

20. V.R. Karasik et al "Protection of superconducting magnets with high current density", IEEE transaction on Magnets, vol. 25, n. 2, p. 1541.

21. B.P. Карасик и др. «Анализ электромагнитных процессов в секционированном сверхпроводящем соленоиде». Труды ФИАН, 1980, том. 121, стр. 52.

22. B.C. Высоцкий и др. «Исследование системы защиты секционированных сверхпроводящих магнитных систем». Труды ФИАН, 1984, том. 150, стр. 35.

23. В.А. Малгинов и др. «Кинетика тепловых процессов в сверхпроводящих магнитных системах при переходе в нормальное состояние». Труды ФИАН, 1984, том. 150, стр. 48.

24. A. A. Konjukhov et al "Quenching of multisection superconducting magnets with internal and external shunt resistors7'. IEEE transaction on Magnets, vol. 25, n. 2, p. 1539.

25. A.B. Барков, A.B. Дударев, B.E. Кейлин «Сверхпроводящие обмотки с рези-стивно соединенными витками», ДАН АН СССР, 1988, т. 300, №6, с. 1370.

26. A.V. Dudarev, et al "Superconducting windings with "short-circuited" turns", Inst. Phys. Conf. Ser. No 158. Presented at Applied Superconductivity Conference, The Netherlands, 1997.

27. G.A. Aksenov et al., Preprint BudkerlNP 85-118, Novosibirsk (1985).

28. P.P. Ахметшин и др. «Сверхпроводящий преобразователь для запитки магнитной системы детектора КМД-2», Новосибирск, ИЯФ, 1996, препринт 96-86.

29. E.V. Anashkin et al., ICFA Instrumentation Bulletin 5 (1988).

30. Э.В. Анашкин, ., A.B. Братин и др., «Криогенный магнитный детектор КМД-2», ПГЭ, 2006, №6, с. 50.

31. L.M. Barkov, . A.V. Bragin et al. "Superconducting magnet system of CMD-2 detector", IEEE Transactions on Applied superconductivity, p. 4644, n.4, vol.9, 1999.

32. V.V. Anashin. "Superconducting Magnetic System of Detector KEDR", IEEE Transactions on Magnets, Vol. 28, No.l, p.578-580, 1992.

33. R.J. Thome and A.M. Dawson "Pool-cooled superconducting coils: past, present, future", Advances in Cryogenic Engineering, 1986, vol. 31, p.341.

34. John E.C. Williams "How far will a magnet go without helium", Advances in Cryogenic Engineering, 1986, vol. 31, p.355.

35. S. Hanai et al "A cryocooler-cooled 19 T superconducting magnet with 52 mm room temperature bore", IEEE Transactions on Applied superconductivity, 2004, vol.14, n.2, p. 393.

36. В.Д. Ивочкин и др "Емкости для хранения и транспортирования криогенных жидкостей", М. 1972 г., ЦИНТИХИМНЕФТЕМАШ, Серия ХМ-6.

37. 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.

38. A. Dubrovin, E. Simonov, "MERMAID, computer code for magnetic field computation". Budker Institute of Nuclear Physics, Novosibirsk, (1993)

39. N.A. Chernoplekov «Progress in research and development for high temperature and low temperature superconductors", IEEE Transactions on Magnets, 1992, vol. 28, no. l,p. 121.

40. L. Bottura "A practical fit for the critical surface of NBTI", 1999, CERN, LHC Project Report 358.

41. L.M. Barkov "Power supply system for the superconducting solenoid of the CMD-2M detector", NIM A 494 (2002), p. 274.

42. L.M. Barkov, et al "Superconducting power supply of CMD-2 detector", IEEE Transactions on Applied superconductivity, 1999, vol.9, n.3, p: 4585.

43. S.V. Karpov, A.V. Bragin, et al "Superconducting power supply for thin superconducting solenoid of the CMD-2 detector", EEEE Transactions on Applied superconductivity", 2006, vol. 16, p. 1642.

44. М.Уилсон «Сверхпроводящие магниты», М. «МИР», 1983.

45. W. Obert et al. «Emissivity measurements of metallic surfaces used in cryogenic applications", Advances in Cryogenic Engineering, 1982, vol. 27, p. 293.

46. P. Хэфер, «Криовакуумная техника», M., «Энергоиздат», 1983.

47. В.А. Григорьев, Ю.М. Павлов, Е.Ю. Аметистов "Кипение криогенных жидкостей", М., "Энергия", 1977.

48. Roger J.M.Y. Ruber "An ultra-tliin-walled superconducting solenoid for meson-decay physics". Dissertation for the degree of Doctor of Technology. Uppsala, 1999.

49. L. Dresner, «Superconductor stability 1983: a review», Cryogenics, 1984, n.6, p.283.

50. Z.J.J. Steckly "Behavior of superconducting coil subjected to steady local heating within the windings", Journal of Applied Physic, 1966, vol. 31, n. 1, p. 324.

51. C. Meuris "Thermal stability of superconductors". Journal de Physique, CI-1984, p. Cl-503. Proceedings of Magnet Technology conference MT-8.

52. Y. Iwasa "Mechanical disturbances in superconducting magnets a review". IEEE Transactions on Magnetics, 1992, vol. 28, n.l, p. 113.

53. K. Takeuchi "Energy margins in a dry-winding superconducting test coil. Part 1: Dissipation within the conductor". Cryogenics, 1995, vol. 35, n. 7, p. 455.

54. Y. Iwasa "Experimental and theoretical investigation of mechanical disturbances in epoxy-impregnated superconducting coils. 1. General introduction". Cryogenics, 1985, vol. 25, p. 304.

55. Y. Iwasa et al "Experimental and theoretical investigation of mechanical disturbances in epoxy-impregnated superconducting coils. 3. Fracture-induced premature quenches". Cryogenics, 1985, vol. 25, p. 317.

56. O. Tsukamoto, T. Takao, and S. Honjoh "Estimating the size of disturbances due to conductor motion in superconducting windings". IEEE Transactions on Magnetics, 1988, vol. 24, n.2, p. 1182.

57. О. Tsukamoto et al "Quantification of disturbance energy due to conductor motion and stability analysis of superconducting composite wire". IEEE Transactions on Magnetics, 1989, vol. 25, n.2, p. 1713.

58. Т. Такао and О. Tsukamoto "Stability against the frictional motion of conductor in superconducting windings". IEEE Transactions on Magnetics, 1991, vol. 27, n.2, p. 2147.

59. C.H. Joshi, J.E.C. Williams, and Y. Iwasa "Quenching in epoxy-impregnated superconducting solenoids: prediction and verification". IEEE Transactions on Magnetics, 1987, vol. 23, n.2, p. 922.

60. P.F. Smith "Protection of Superconducting Coils", The Review of Scientific Instruments, 1964, vol. 34, n. 4, p. 368.

61. M.A. Green "Quench back in thin superconducting solenoid magnets". Cryogenics, 1984, Vol. 24, n. l,p. 3.

62. M.A. Green "The role of quench back in quench protection of a superconducting solenoid". Cryogenics, 1984, Vol. 24, n. 12, p. 659.

63. П.Л. Калантаров, JI. А. Цейтлин «Расчет индуктивностей», Энергоатомиздат, Л., 1986.

64. A.F. Clark and P.V. Taylor "Material variability as measured by low temperature electrical resistivity". Cryogenics, 1972, vol. 12, n. 6, p.451.68. «Общая электротехника», п/р A.T. Блажкина, Л. Энергоатомиздат, 1986.

65. Л.А. Новицкий, И.Г. Кожевников "Теплофизические свойства материалов при низких температурах", М., "Машиностроение", 1975.

66. F.S. Howard «Geysering inhibitor for vertical cryogenic transfer piping". Advances in Cryogenic Engineering, 1973, vol. 18, p. 162.

67. Ю.А. Кириченко, K.B. Русанов, Е.Г. Тюрина «Исследование теплообмена при кипении азота в условиях свободного движения в вертикальных кольцевых каналах», ИФЖ, 1984, №6, с. 885.

68. И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич «Расчет на прочность деталей машин». М. «Машиностроение», 1979.

69. Криогенные системы: Основы теории и расчета: Учебник для студентов специальностей "Криогенная техника"/ А.М. Архаров, И.В. Марфенина, Е.И. Микулин. М. Машиностроение, 1988.

70. Теплотехника: Учебник для вузов/ В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Кам-фер, М. "Высшая школа" 1999.

71. А.Н. Тихонов, А.А. Самарский «Уравнения математической физики». М. «Наука», 1977.

72. J.A. Liburdy and J.L. Wofford, "Acoustic oscillation phenomena in low-velocity steady flow with heating", Advances in Cryogenic Engineering, 1980, vol. 25, p.528.

73. Roger J.M.Y. Ruber, «А Thin-walled solenoid for rare decay physics", WAS A Report 8/97. Uppsala University, 1997.

74. 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.

75. Y. Makida, et al "Performance of an ultra-thin superconducting solenoidjfor particle astrophysics", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 15, 2005, p. 1248.