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中子散射超导磁体受力研究分析

2020-08-28 202 上传者：管理员

摘要：利用有限元计算模拟了周围磁性物体在强磁场下的磁化分布及其对超导磁体的反作用力,通过实验测量了在中子平台复杂的磁性物体结构中超导磁体随加载磁场的受力变化情况。结果表明,周围磁性物体对超导磁体施加的磁力随着磁场强度以平方关系增加,当磁场达到2.5T时,磁力为27.3kg。根据中子平台运行的现实条件,建议此超导磁体在该中子平台的安全运行上限磁场为2.5T。

关键词：
中子散射样品台
压力传感器
受力分析
有限元模拟
超导磁体
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1、引言

中子散射是研究物质微观结构与动力学的重要手段。由于中子既有磁矩又有很强的穿透性,因此非常适合观察封闭在强磁场环境的超导磁体内的小样品[1]。利用超导磁体为中子散射样品提供强磁场环境,已变得非常普遍[2]。中子源的产生和中子探测的特点使得中子散射装置结构庞大,中子散射装置样品位置附近包含样品台、样品腔、底部支撑、和上部操作台等[3,4,5],这些构件因为力学强度需要,常会使用高强度钢材。

但是,有些钢材因为具有一定的磁化率易受外加磁场的影响而被磁化[6]。中子散射平台磁性构件易受到安装于其中的超导磁体的杂散场的影响,而磁化后的构件产生的磁场对超导磁体会形成反作用力,极端情况可能会超过超导磁体所能承受的最大力,进而损毁超导磁体。为保证超导磁体运行中的安全性以及中子散射实验的连续性,有必要在正式使用前进行安全评价,以保证超导磁体平稳运行。

中国散裂中子源,作为世界四大脉冲散裂中子源之一,已建成并面向国内外广大用户开放运行[7]。为给中子用户研究前沿课题提供便利,中国散裂中子源样品环境系统建立了许多极端样品环境设备,包括低温、高温、高压和强磁场环境设备等[8]。极端环境与现实环境差别巨大,使用过程中易出现安全异常,为确保人员安全与实验顺利进行,所有的极端条件设备均须进行安全评价。本文通过有限元计算模拟超导磁体在加载磁场时的受力变化,参照模拟结果,利用压力传感器实验测量了超导磁体在普通及复杂环境下随着磁场变化而受到的外力情况,从而为超导磁体平稳运行提出建议。

2、实验方法与过程

实验中利用定制的压力传感器,测量超导磁体主体在加载不同磁场时受到环境物体的作用力大小,所用设备包括:超导磁体、压力传感器、环境物体。实验内容包括无环境物体时测量超导磁体在不同磁场下的受力与处在环境物体中间时测量超导磁体在不同磁场下的受力。实验所使用的超导磁体是中国散裂中子源样品环境系统的9T垂直磁场超导磁体样品测量系统[8],系统包含中子散射超导磁体(磁体主体)、4.2K制冷机、水冷机、干泵储气罐、分子泵、机械泵、样品杆和样品盒、控制柜(集成温度控制仪和温度监视器、电流源、控制计算机)、工控机(实验远程控制和记录数据)、以及连接氦气软管和各种电缆等,如图1所示。

图19T垂直超导磁体样品测量系统

此系统的超导磁体主体采用分裂式超导体线圈结构,主要超导线材为Nb3Sn,主体法兰外径820mm,样品中心/磁场中心到超导磁体主体法兰距离840mm,主体净重量260.0kg。其主要功能是为中子谱仪提供强磁场(0～9T)和低温(1.5～325K)的样品环境。实验所使用的压力传感器采用三明治式结构,上部是带有螺丝定位杆的钢构件,下部有个凸起钢构件,测力感应片处于中间,从感应片上连接线缆到显示器。图2显示了一个压力传感器实物图。实验中,首先将三套压力传感器通过螺丝与螺母均匀分布,固定在超导磁体法兰盘上的限位孔中。法兰上安装三套压力传感器后,超导磁体就可完全由三个传感器支撑起来,此时三套传感器的读数之和就是磁体的总受力。无磁性环境物体的情形就是将已安装了压力传感器的超导磁体吊装到一个如图1所示的铝制推车上,在超导磁体主体周围3m之内,除了超导磁体系统的附件之外别无它物。有环境磁性物体的情形就是将已安装了压力传感器的超导磁体吊装到中子散射谱仪的样品腔的法兰上,整个样品台及其支撑物均由磁性材料碳钢组成,其结构如图3所示。测试过程中逐步增加磁场,当磁场稳定后读出传感器读数。

图2一个定制的三明治式压力传感器实物图

图3中子散射谱仪样品台结构示意图

图4大型钢块环绕时超导磁体垂直面的磁场分布

进行实验测量前,为获得理论参考数据,确保实验过程不出现意外失误,首先利用Opera软件进行有限元计算[9],模拟超导磁体在磁性物体环绕情况下的磁场分布与受力大小。模拟计算中采用简化模型:只有一个超导磁体主体和一个与磁体上法兰平齐的Q235B钢板,在钢板中间的空洞放入超导磁体。因为中子样品台结构非常复杂,完全按照实物进行建模很困难,所以只选取主要影响的大块钢板,实验证明该简化模型很有效。磁场分布模拟结果如图4所示(水平板为钢板),有限元模拟结果显示,磁体加场到9T时,磁体受到样品台钢板的反作用吸力等效为420.0kg。

3、结果与分析

一般情况下,超导磁体的安全要求在磁场强度为0.0005T的等高线内,不得有大型的强磁性物体,更不得有任何活动的磁性物体。在散裂中子源这样的大型科研平台上,显然无法满足这样严苛的安全阈值要求。因此,根据厂方提供的参考意见,采用超导磁体受到外力须<50.0kg作为9T垂直超导磁体样品测量系统的安全测试条件。有限元模拟结果显示,磁体加场到9T时,磁体受到样品台钢板的反作用吸力等效为420.0kg。这个值远大于超导磁体的受力上限,因此必须利用实验测量进行安全评价。

表1列出了在无环境物体影响下,三个压力传感器随着加载不同磁场的读数。由于整个超导磁体完全由三个压力传感器垂直支撑起来,因此超导磁体受到的合力就等于三个压力传感器读数之和,如表1中的合力F所示。在没有加载磁场时,可认为不受到磁作用力,此时认为超导磁体的本身重力292.3kg。这个值大于超导磁体主体净重260.0kg,这是因为在超导磁体上方增加了转动/升降装置、且还有许多电缆、氦气管等连接在一起。随着磁场的增加,三个压力传感器读数也逐步增加,将磁场下的读数减去零磁场下的读数就可认为是外部物体对磁体的反作用力,简称其为磁力FM。显然,在无环境物体时,这个磁力随着加载磁场的增大而增大。其原因在于,虽然周围没有磁性物体对其施加磁力,但超导磁体系统本身的许多附件具有磁性或磁场,如水冷机的泵和外壳、氦气罐的干泵、压缩机、分子泵、机械泵等,尽管在设计时尽量采用无磁性材料,但还是无法做到完全没有一点磁性材料。随着加载磁场的增加,磁力逐步增加,当磁场为7T时,磁力为17.0kg。

表2列出了在中子散射样品台上,三个压力传感器随着加载不同磁场的读数。由于周围具有大量的强磁性物体,磁力增加非常迅速,因此测量过程中加载磁场步长更小,加载磁场的速度也更缓慢。当外加磁场达到2.5T时,磁力已升到27.3kg,为确保超导磁体的安全,不再加载更高的磁场。

综合表1和表2的测试结果作图,如图5所示。图中可看出,在没有外部磁性物体的影响下,磁力的增长极其缓慢,即便是磁场加到了7T,外部反作用力依然只有17.0kg。但是,当处于中子样品台上时,即在超导磁体周围有许多大型钢块时,磁体受到的反作用力随着外场的增加迅速增大。从图中拟合力随磁场强度增加的变化曲线,可得到反作用力随着磁场强度增加按照平方关系增加:FSymboluB@B2,这与磁场作用力关系式一致。并依此外推得到,当磁场达到3.3T时,磁体受到的反作用力为50.0kg。由于安全线50.0kg属于作用于超导线圈的限值,而实验室测量的是在法兰位置的值。将来使用过程中,不可能每次进行受力测量,考虑到中子散射的复杂性,如样品台有时还会增加其他设备,为确保长久平稳运行,保守设定2.5T为安全运行上限。

图5随着加载磁场增加超导磁体主体受力演化图

从上面分析可看出,本可加载9T的超导磁体,因为环境因素只能运行2.5T,存在极大浪费。从材料物理的角度来看,2.5T对多种材料而言并没达到相变的临界条件,因此提高磁场的利用是十分必要的。这就要求在建设中子散射装置过程中,所用部件选材须充分考虑超导磁体的使用,确保超导磁体能平稳运行且不受损害。中子散射装置样品位置周围的构件选材,除需考虑材料的强度和价格等因素,还需考虑材料的磁性能[10],以及加工焊接过程中磁性产生情况[11]。无磁性结构件首选铝合金,但如果强度要求特别高,则可选择316不锈钢,316不锈钢的磁化率最低可做到0.01。

4、结论

本文利用有限元模拟计算了在周围具有大型磁性物体条件下超导磁体的磁场分布与受力情况,通过压力传感器,实验测量了超导磁体在中子散射样品台使用时随加载磁场的受力变化。根据计算结果与实验测量值,评价了使用超导磁体的安全条件,综合分析得出以下结论。

(1)在复杂条件下,加载磁场时超导磁体受到的外部作用力可能会非常大,正式使用超导磁体前须进行安全评价。

(2)超导磁体受到的反作用随着磁场强度平方增加。

(3)本研究中所用超导磁体虽能提供高至9T的强磁场,但在所测样品台上最高只能加载3.3T磁场,为长久平稳运行,设定2.5T为运行上限。

(4)为利用更强磁场进行中子散射研究,在保证强度足够的同时,中子散射平台须考虑使用低磁化率材料。

参考文献：

[1]陈和生.中国散裂中子源[J].现代物理知识,2016(01):3-10.

[3]陶举洲.中国散裂中子源小角散射谱仪[J].现代物理知识,2016(01):18-22.

[4]詹晓芝,肖松文,吴岩延,等.多功能中子反射谱仪[J].现代物理知识,2016(01):23-27.

[5]何伦华,陈杰,康乐,等.CSNS通用粉末衍射谱仪[J].现代物理知识,2016(01):11-17.

[6]刘亚丕,牛振标,周焊峰,等.现代不锈钢材料:结构､性能､特点与应用[J].磁性材料及器件,2106,47(01):72-77.

[7]王晋岚.中国散裂中子源首次打靶成功获得中子束流[J].科学,2017,69(05):36.

[10]李长生,马彪,宋艳磊,等.无磁钢的研究概况和我国无磁钢的研究思路[J].河南冶金,2014,22(01):1-7.

[11]王熙,蔡铨.316L不锈钢焊接时磁性产生原因分析及防止措施[J].轻工科技,2015,259(12):79-80.

罗万居,吴锡,胡海韬,白波,黄志强,袁宝,邓昌东,张绍英,童欣.中子散射超导磁体的受力分析[J].低温与超导,2020,48(08):21-25.

基金:国家自然科学基金面上项目(11875265);中国科学院率先行动“百人计划”学术帅才(人字[2018]53号);东莞市第九批创新创业领军人才(创新类)项目资助.

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期刊名称：核动力工程

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出版地方：四川

专业分类：科技

国际刊号：0258-0926

国内刊号：51-1158/TL

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创刊时间：1980年

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期刊开本：大16开

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