Содержание к диссертации
Введение 5
/ Глава. Методы расчета магнитного поля и оптимизации
геометрии сверхпроводящих магнитов 18
1.1 Представление поля и основные определения 18
Представление поля 18
Представление интегрального поля 19
1.2 Численные алгоритмы расчета магнитного поля 20
Пакет программ MULTIC 20
Программа HARM-3D 25
Расчет нелинейностей поля 26
Расчет интегральных нелинейностей поля 29
1.3 Оптимизация геометрии мультипольных магнитов 32
Центральное сечение 32
Лобовые части 34
1.4 Выводы 37
// Глава. Сверхпроводящие магниты УНК. 39
II. 1 Основные диполи и квадруполи 39
II.1.1 Диполи 40
И. 1.2 Квадруполи 48
П.2 Оптимизация геометрии магнитов систем коррекции 50
II.2.1 Требования к конструкции 51
И.2.2 Дипольный корректор 54
ІЇ.2.3 Квадрупольный корректор 56
II.2.4 Секступольный корректор 57
П.2.5 Основные расчетные характеристики СП—корректоров 58
И.З Сверхпроводящий дипольный магнит с повышенной передаточной функцией.59
Конструкция модели СП диполя 60
Результаты испытаний модели 65
II.4 Методы коррекции качества поля дипольных магнитов 66
П.4.1 Корреляции технологических параметров обмотки 67
П.4.2 Сортировка полуобмоток 70
И.4.3 Результаты измерений магнитных характеристик 72
П.4.4 Корреляция гармоник для теплых и холодных измерений 74
И.4.5 Связь геометрических и магнитных параметров 77
И.4.6 Коррекция нелинейностей по результатам теплых измерений 80
ІІ.5 Выводы 83
/// Глава. Магнитная система Tevatron Electron Lens 85
III. 1.1 Общее описание магнитной системы 85
III. 1.2 Параметры сверхпроводящих магнитов 86
III. 1.3 Магнитопровод 93
III. 1.4 Теплые соленоиды 94
III. 1.5 Результаты испытаний 98
III. 1.6 Модернизация магнитной системы TEL 104
Ш.2 Выводы 108
IV Глава. Перспективные направления развития
сверхпроводящих магнитных систем 109
IV.1 Характеристики сверхпроводящих материалов 109
IV.1.1 NbTi 109
IV. 1.2 Nb3Sn Ill
IV.1.3 ВТСП 113
IV. 1.4 Область применения сверхпроводящих материалов 114
IV.2 Сверхпроводящий квадруполь с высоким градиентом поля на основе МЬзБп... 114
IV.2.1 Свойства материалов 116
IV.2.2 Оптимизация геометрии 117
IV.2.3 Допуски на точность изготовления 130
IV.2.4 Выводы 133
IV.3 Магнитные системы для четырех каналов Нейтринной Фабрики ФНАЛ 134
IV.3.1 Описание каналов 134
IV.3.2 Магнитные характеристики каналов _ 137
IV.4 Выводы 158
V Глава. Сверхпроводящий диполь, создающий
быстроциклирующие магнитные поля 160
V.1 Возможность применения диполей УНК для создания быстроциклирующих
магнитных полей 160
V.1.1 Требования к качеству поля 162
V. 1.2 Условия оптимизации геометрии 164
V.1.3 Выбор токонесущего элемента 165
V.1.4 Параметры оптимизированной геометрии 169
V.1.5 Критическая температура диполя 176
V. 1.6 Анализ влияния тепловыделений на температурный режим 177
V.2 Широкоапертурный диполь 181
V.2.1 Требования к сверхпроводящему материалу 182
V.2.2 Намагниченность сверхпроводника 183
V.2.3 Свойства материала магнитопровода 184
V.2.4 Условия оптимизации 185
V.2.5 Общее описание конструкций 188
V.2.6 Геометрия поперечного сечения, основные зависимости 193
V.2.7 Центральное сечение 195
V.2.8 Оптимальный диаметр провода 209
V.2.9 Оптимизация геометрии лобовых частей 213
V.2.10 Сравнение трех геометрий 218
V.2.11 Методы подавления кабельных потерь 221
V.2.12 Увеличение температурного запаса диполей SIS-300 229
V.3 Геометрия с неполностью кистоунированным кабелем 236
V.3.1 Деградация критического тока в кабеле 236
V.3.2 Характеристики кабеля 237
V.3.3 Геометрия поперечного сечения 238
V.3.4 Оптимизация лобовых частей 249
V.3.5 Потери в магните и температурные зависимости 252
V.4 Выводы 254
Заключение 256
Библиография 259
Приложение. Некоторые сведения из математической
статистики 276
Введение к работе
Широкое распространение для исследования микромира получили ускорители заряженных частиц (УЗЧ), энергия которых растет практически экспоненциально за последние 40 лет. Одним из основных элементов подавляющего большинства кольцевых УЗЧ на большие энергии является магнитная система, составляющая до 60% общей стоимости всей машины. Постоянно растущие требования в физических экспериментах к увеличению энергии ускорителей, их интенсивности, повышению светимости в коллайдерных режимах, роста темпа набора энергии в процессе ускорения и пр. приводят к необходимости разработки новых проектов УЗЧ на высокие и сверхвысокие энергии (УНК [1], SSC [2], LHC [3], [4], VLHC [5], Neutrino Factory [6], Muon Collider [7], GSI [8]) и модернизации существующих рабочих установок (Tevatron [9], HERA [10]).
Основной элемент магнитной системы кольцевых ускорителей, и, как правило, наиболее сложный в разработке и изготовлении - дипольный магнит, предназначенный для поворота пучка заряженных частиц. Во многих случаях диполи с центральным полем до 1.5-2 Тл более экономично изготавливать с медной или алюминиевой обмоткой, работающих при комнатной температуре. Далее такие магниты будут называться «теплыми» магнитами. Как правило, обмотка имеет водяное или воздушное охлаждение. Центральное поле Во и его однородность в теплых магнитах формируется магнитопроводом, вклад от него в Во составляет 80-90%.
Диполи с В0 до 6.5-7 Тл изготавливаются из сверхпроводящей (СП) обмотки на основе NbTi, работающей при 4.2 К. Обычно обмотка в центральном сечении состоит из слоев в виде кольцевых секторов, заключенных в бандаж для механической поддержки. В последнее время цилиндрический магнитопровод расположен непосредственно за бандажом, и вся сборка составляет холодную массу, помещаемую в криостат. Вклад в поле от обмотки в СП диполях составляет 75-80%, остальное дает магнитопровод. Однородность поля также в основном формируется геометрией обмотки, поэтому требования к точности ее
изготовления достаточно жесткие, на уровне 50 мкм. СП обмотка наматывается на образующей цилиндра и имеет седлообразную форму. Начало разработок и изготовления таких магнитов можно отнести к 60-ым годам прошлого столетия. Надо отметить, что понижение температуры в магнитах с обмоткой из NbTi до 1.8 К дает выигрыш в критическом токе примерно в 40% по сравнению с температурой 4.2 К. Тем не менее, криогенное оборудование для таких низких температур достаточно сложное и энергоемкое, что в сумме приводит к неэффективности этого пути. К тому же появляются проблемы со сверхтекучестью гелия, что усложняет конструкцию магнита и ужесточает требования к его производству. Руководство ЦЕРНа при проектировании ускорителя LHC [3] приняли решение использовать сверхнизкие температуры для магнитной системы, исходя из наличия уже существующего тоннеля, однако в процессе разработок конструкции магнита центральное поле диполя пришлось снизить с 10 до 8.3 Тл [4].
Диполи до 10-12 Тл используют обмотку из NbjSn, критический ток и критическая температура этого материала выше, чем у NbTi. Разработка новых технологий изготовления провода и обмоток из NbsSn по схемам «намотка-отжиг» позволила решить проблемы с хрупкостью провода. Поэтому настоящее развитие эти магниты получили в 90-ые годы прошлого века. Тем не менее, стоимость Nb3Sn в несколько раз выше, чем NbTi. Технология изготовления обмоток также гораздо сложнее. За последние годы произошел большой прогресс в повышении критической плотности тока J с для NbsSn в несколько раз и достигает величин вплоть до 3 кА/мм в поле 12 Тл при 4.2 К [11], [12], что дает возможность рассмотрения конструкций дипольных магнитов до 15 Тл [13], [14].
Дальнейшее увеличение поля в дипольных магнитах возможно с применением гибридных обмоток, внутренний слой которых состоит из ВТСП материала. Критическая плотность тока таких ВТСП как ВІ2212, ВІ2223 при температуре жидкого гелия и полей свыше 15 Тл практически не зависит от внешнего
7 магнитного поля и по своей величине превышает критическую плотность тока Nb3Sn [15]. Первые разработки диполя с обмоткой из ВТСП [16] - [19] подтвердили перспективность этого направления. Следует ожидать, что при промышленном производстве стоимость ВТСП материала резко снизится до приемлемой величины, сравнимой или немного превосходящей стоимость материала Nb3Sn. На первом этапе такие магниты могут использоваться в местах с ограниченным пространством, например, в участках встреч ускорительных комплексов, работающих в коллайдерном режиме.
Требования к качеству поля основных диполей, установленных в ускори-теле, составляют величины порядка 10", что вызывает необходимость тщательной технологии изготовления. Для магнитов в каналах вывода эти требования могут быть на порядок слабее.
Аналогичное разделение по полю и классификации по материалам и типам можно отнести и к квадрупольным магнитам, если рассмотреть поле на обмотке слоевых магнитов, определяемое как В = Gqt, Go - градиент магнита в апертуре, г - расстояние до обмотки. Квадрупольные магниты в магнитной структуре ускорителя предназначены для фокусировки-дефокусировки пучка частиц.
Мультипольные магниты более высоких порядков (секступоли, октуполи) в основном используются в системах коррекции.
Актуальность темы
Разработка магнитных систем непрерывно сопровождается математическим моделированием, позволяющим резко сократить расходы на создание различных элементов и системы в целом, выявить ряд проблем, требующих дополнительного исследования, найти оптимальные решения, упростить конструкцию, повысить ее эффективность, сократить эксплуатационные расходы и т.д. В большинстве случаев новые магнитные системы обладают требованиями к физическим параметрам, превосходящими те, что имелись в предыдущих системах. Это приводит к необходимости поиска новых решений, использовании новых материалов и пр. Конструкция магнитных систем должна обеспечить
8 высокую однородность поля в апертуре, хорошую повторяемость при массовом производстве, стабильность всех магнитных характеристик в процессе ускорения, минимальную стоимость системы, в том числе и эксплуатационную стоимость, высокую надежность и работоспособность в различных режимах.
Цель диссертационной работы:
Диссертационная работа представляет результаты разработок сверхпроводящих магнитных систем для крупных проектов ускорителей типа УНК, GSI (SIS300), а также для модернизации работающих ускорителей, в частности, Те-vatron. Для решения этих задач были разработаны методы расчета нелинейных трехмерных магнитных полей, на основе которых создано соответствующее программное обеспечение. Разработаны методики, позволяющие обеспечить необходимую точность и воспроизведение магнитных полей в процессе массового производства.
Научная новизна
Разработанные автором методы оптимизации трехмерной геометрии сверхпроводящих магнитов по быстродействию на несколько порядков превосходят зарубежные аналоги, что дает возможность проведения глубокого анализа при поиске наиболее оптимальной конструкции с точки зрения качества поля.
Параметры сверхпроводящих диполей УНК, изготовленных в ИФВЭ, и на сегодняшний день позволяют им конкурировать с аналогичными магнитами, разрабатываемыми в других лабораториях мира.
Магнитная система Те vatron Electron Lens, представленная в диссертации, разработана и изготовлена в ИФВЭ. Она представляет собой уникальную конструкцию, состоящую из 7 сверхпроводящих магнитов и 12 теплых. Эта система позволяет провести пучок электронов над пучком антипротонов в местах встреч ускорителя Теватрон и ослабить кулонов-ское возмущение, вызванное пучком протонов. Предусмотрена регулировка как траектории, так и поперечной формы электронного пучка.
Оптимизированная конструкция квадруполя с высоким градиентом поля, разработанная автором, использует обмотку из ЫЬзЭп с геометрией, в которой впервые в мире были независимо подавлены нелинейности поля и интеграла поля. Минимизация поля на лобовых частях квадруполя позволила резко повысить градиент в центральной части и увеличить эффективную длину магнита.
Разработка магнитных систем и предложенные автором алгоритмы минимизации поля в магнитах соленоидальных каналов Neutrino Factory открыли возможность создания сверхпроводящих магнитных систем на основе NbjSn с требуемыми параметрами. Проведен анализ использования в обмотках ВТСП для повышения амплитуды поля.
Сверхпроводящий диполь, создающий быстроциклирующие магнитные поля, имеет рекордные параметры по скорости изменения поля, на порядок превышающие существующие аналоги. Предложенная автором конструкция выбрана для изготовления прототипа дипольного магнита, предназначенного для использования в качестве основного элемента магнитной структуры SIS300. Конструкция обладает минимальными тепловыми потерь, что существенно снижает эксплуатационные расходы.
Практическая ценность работы
Исследования и разработки, проведенные автором, применены для изготовления магнитных систем, работающих в действующих ускорителях Tevatron, HERA [20] - [25], на установке Tesia Test Facility [26]. Автором создано уникальное программное обеспечение, с помощью которого разработаны магнитные системы, принятые за основу в проектах ускорителей УНК [1], Neutrino Factory [27] - [29], SIS-300 [8].
Магнитная система Tevatron Electron Lens, представленная в диссертации, разработана и изготовлена в ИФВЭ. Она установлена на ускорителе Tevatron и успешно эксплуатируется в течение нескольких лет.
Конструкция квадруполя с высоким градиентом поля, разработанная автором, использует обмотку из ЫЬзБп и может с успехом применяться в новых проектах УЗЧ, в частности, в участках встреч коллайдеров.
Предложенная соискателем конструкция сверхпроводящего диполя, создающего быстроциклирующие магнитные поля, принята за основу для моделирования прототипа дипольного магнита, как основного элемента магнитной структуры в последней ступени SIS300 разрабатываемого в GSI (Дармштадт) нового ускорительного комплекса для ускорения тяжелых ионов
Разработанные соискателем методы оптимизации и программное обеспечение с успехом можно применять для разработок магнитных систем в любой области науки и техники, например, при разработке магниторе-зистивного томографа для медицинских целей [30].
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались на:
научных семинарах ИФВЭ, FNAL, GSI, DESY;
всесоюзных и российских совещаниях по ускорителям заряженных частиц в Дубне (1989; 1992; 2004 гг.), Протвино (1994, 1996; 1998, 2000 гг.), Обнинске (2002 г.);
европейских конференциях по ускорителям в Берлине (1992 г.), Лондоне (1994 г.), Стокгольме (1998 г.), Париже (2002 г.), Люцерне (2004 г.);
национальных конференциях США по ускорителям в Далласе (1995 г.), Чикаго (2001 г.), Сан-Франциско (2003 г.), Ноксвилле (2005);
международных ускорительных конференциях в Цукубе (1992 г.) и Гамбурге (1992 г.);
международной конференции по прикладной сверхпроводимости в Джек-сонвилле (2004 г.);
международной конференции по магнитным технологиям в Цукубе (1989 г.), Ленинграде (2002 г.), Пекине (1997 г.), Женеве (2001 г.), Мо-риоке (2003 г.), Генуе (2005 г.);
и опубликованы в виде препринтов ИФВЭ и FNAL, статей в российских (Атомная энергия и Электротехника) и иностранных (Nuclear Instruments & Methods) журналах, Трудах соответствующих конференций.
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 160 наименований. Объем диссертации без списка литературы составляет 260 страниц, в том числе 136 рисунков и 85 таблиц. Список основных научных работ, представляющих важнейшие результаты диссертации, составляет 26 наименований.
Содержание работы
В первой главе приводится описание основного программного обеспечения, разработанного автором, а также основные формулы и представления поля и интеграла поля, которые будут использованы далее. Комплекс программ, включающий в себя пакет программ MULTIC и программу HARM-3D, дает возможность расчета практически всех характеристик трехмерных магнитных полей любой конфигурации и произвольной трехмерной геометрии. Предложенные алгоритмы минимизации поля и оптимизации геометрии позволяют уменьшить процессорное время счета на несколько порядков по сравнению с аналогичными программами, имеющимися в других лабораториях мира, например, программой ROXIE [31]. Разработанное программное обеспечение с успехом может применяться в любых отраслях науки и техники для разработок систем, в состав которых входят магнитные элементы.
... Во второй главе приведены основные характеристики диполей и квадрупо-лей УНК, результаты испытаний опытно-промышленной партии полномасштабных диполей УНК [32] - [37] и трех полномасштабных квадруполей УНК [38], [39]. Проведенный статистический анализ результатов магнитных и гео-
12 метрических измерений позволил сформулировать методы коррекции качества поля в процессе массового производства магнитов. Сравнение параметров сверхпроводящего магнита УНК с другими аналогичными конструкциями, разработанными в научных лабораториях мира, показывает, что и на сегодняшний день эта конструкция не потеряла актуальности. СП диполь УНК не уступает, а в некоторых случаях и превосходит по своим характеристикам другие сверхпроводящие диполи аналогичного класса, что позволяет использовать эту конструкцию в качестве базовой для разработки новых перспективных магнитов следующего поколения.
Система коррекции УНК состоит из диполей, квадруполей и секступолей. Проведенный анализ показал, что магнит с совмещенными обмотками [40] обладает рядом недостатков и предпочтительнее использовать раздельные магниты типа «суперферрик». В результате численного исследования магнитных характеристик, проведенной оптимизации качества поля, и минимизации веса магнитов выбрана оптимальная конструкция магнитов, удовлетворяющая требованиям системы коррекции [41]. Система коррекции по сравнению с аналогичной системой, основанной на мультипольных корректорах, имеет более простые системы управления, питания и охлаждения. Конструкция магнитов типа "суперферрик" более технологична, что удешевляет их производство, и имеет расход СП материала в 1.6 раза меньше по сравнению с мультипольными корректорами.
Важные результаты были получены при разработке диполя с повышенной передаточной функцией. На основе конструкции диполя УНК с минимальной доработкой был разработан, изготовлен и испытан диполь с номинальным полем 6 Тл и скоростью нарастания поля 0.28 Тл/сек [42]. Полученные результаты подтверждают, что разработанная конструкция диполя УНК имеет большой запас надежности и может быть выбрана за основу для дальнейших разработок дипольных магнитов с более критическими параметрами.
13 В третьей главе рассматривается соленоидальная магнитная система. Для
компенсации кулоновского взаимодействия рр пучков на Теватроне предложен эксперимент Beam-Beam Compensation (ВВС) [43], [44]. Идея эксперимента заключается в использовании пучка электронов для компенсации возмущения пучка антипротонов, вызванного зарядом пучка протонов. В результате должен уменьшиться разброс бетатронных частот, что приведет к уменьшению потерь р пучка и, в итоге, к увеличению светимости Теватрона. Для проведения пучка электронов вдоль всей трассы, начиная от электронной пушки и кончая электронным коллектором, в ИФВЭ разработана и изготовлена магнитная система Tevatron Electron Lens (TEL). Она состоит из основного СП соленоида длиной 2.5 м, внутренней апертурой 152 мм и максимальным рабочим полем 6.5 Тл. Над соленоидальной обмоткой размещаются 6 СП диполей для управления траекторией электронного пучка. Электронная пушка и коллектор помещены в отдельные теплые соленоиды, в которых дополнительно размещены корректирующие теплые обмотки, которые можно коммутировать как два диполя или как один квадруполь. После модернизации магнитной системы в нее было добавлено еще шесть теплых поворотных соленоидов. Уникальная магнитная система позволяет работать в разных режимах магнитного поля.. TEL установлена в Теватрон и работает в течение нескольких лет. Эксперименты на ней дали ряд положительных результатов [45]. Если предложенная идея компенсации взаимодействия пучков подтвердится, такие установки можно будет использовать в любых ускорительных комплексах, работающих в коллайдерном режиме. В четвертой главе рассмотрены конструкции магнитов на основе NbsSn. Для повышения светимости в ускорительно - накопительных комплексах необходимо увеличение силы квадрупольных магнитов в участках встреч. Использование материала NbTi ограничивает силы квадруполя, в силу того, что поле на обмотке может превысить область допустимых рабочих полей для данного материала. Использование Nb3Sn для обмотки позволяет существенно увеличить градиент квадруполя. Требования к качеству поля в 70-мм апертуре квад-
14 руполя достаточно жесткие. Нелинейности как поля так и интеграла поля не должны превышать 1x10 на радиусе нормализации 25 мм. В предложенной конструкции были независимо подавлены нелинейности поля в центральном сечении и нелинейности краевого поля. В итоге нелинейности интегрального поля также были минимизированы. Вдобавок, форма лобовых частей обеспечила величину магнитного поля в них, не превышающую соответствующую величину в центральном сечении, что позволило иметь максимальную эффективную длину магнита. Следует отметить, что на момент разработки этого квадруполя критическая плотность тока ЫЬзБп была равна 0.6 кА/мм2 в поле 12 Тл при 4.2 К, при которой можно достичь рекордной величины градиента поля в 220 Тл/м [46]. На сегодняшний день Jq увеличено в 4-5 раз [11], что дает возможность повысить градиент выше 250 Тл/м и использовать такую конструкции в участках встреч коллайдеров.
Проект Neutrino Factory (NF) [6] возник как прототип проекта Muon Collider [7]. Тем не менее, NF сам по себе является достаточно сложной машиной, требующей при разработке применения новых нестандартных решений. Основу NF составляют четыре соленоидальных канала, параметры каждого из них сильно отличаются. Во всех каналах будут использоваться сверхпроводящие соленоиды исходя из экономических расчетов и ограничений на габаритные размеры. Первый канал не представляет больших проблем для разработок. Длина его равна 50 м при апертуре от 30 до 70 см и номинальным рабочим полем от 1.25 до 3 Тл. После проведения экономических и стоимостных расчетов было выбрано минимальное поле 1.25 Тл. Второй канал имеет большую апертуру от 1.5 до 2 м с центральным полем 1.25 Тл. Параметры третьего канала практически совпадают со вторым, но его длина равна 100 м. Наиболее сложным для разработок оказался четвертый канал длиной 100 м и апертурой от 1.5 до 2 м. В нем необходимо создать синусоидальное продольное поле с амплитудой от 3.4 до 5 Тл. При этом в обмотке соленоидов возникают сильные магнитные поля вплоть до 20 Тл. После проведения оптимизации геометрии удалось
15 снизить максимальное поле в обмотке до уровня ниже 8.5 Тл, что позволило технически решить создание этого канала, использовав СП материал Nb3Sn. Во всех каналах особое внимание было обращено на расчет пондеромоторных сил и запасенной энергии, достигающих достаточно больших величин. Для предотвращения разрушения обмотки из-за больших пондеромоторных сил в четвертом канале предложено использовать бронированный СП кабель.
В настоящее время в GSI (Дармштадт) разрабатывается новый ускорительный комплекс, предназначенный для ускорения тяжелых ионов, в частности, Ut28, U+92 [8]. Последняя ступень этого комплекса, SIS-300, основана на СП диполях, создающих быстроциклирующие магнитные поля. Амплитуда магнитного поля равна 6 Тл, скорость нарастания поля во время ускорения - 1 Тл/сек. В пятой главе рассматривается разработка конструкции СП диполя с такими параметрами. Первоначально апертура магнита была равна 80 мм, что соответствовало апертуре магнита диполей УНК. После проведенной работы автором было показано, что конструкция диполей .УНК с успехом может быть принята за основу нового диполя. При этом необходимо использовать новый токонесущий элемент, оптимальные параметры которого были определены.
После этой итерации требования к физическим экспериментам на SIS300 были расширены, что вызвало необходимость увеличения апертуры по обмотке до 100 мм. При этом конструкция диполя существенно усложнилась. Для выбора оптимальной конструкции автором были проанализированы три возможных конструкции, в основном, отличающиеся толщиной бандажа. Первая из них имела бандаж с толщиной, обеспечивающей удержание всех сил, возникающих в обмотке. Во второй конструкции толщина бандажа была уменьшена, и бандаж предназначался только для сборки и захолаживания обмоточного блока. Далее все пондеромоторные силы будут восприниматься магнитопроводом. В третьей конструкции бандаж отсутствует, и все его функции выполняет магни-топровод. При приближении магнитопровода к обмотке вклад в центральное поле от него увеличивается, при этом уменьшается рабочий ток в обмотке и
снижаются тепловые потери в магните. Но увеличивается насыщение магнитопровода, что приводит к большому искажению поля. Конструкция магнита также усложняется. Температурный запас всех конструкций превышал 0.5 К, что близко к диполям УНК и SSC. При анализе и исследовании магнитных характеристик автором были предложены дополнительные условия оптимизации геометрии поперечного сечения и лобовых частей, при выполнении которых подавлялись низшие нелинейностей поля и интеграла поля, интегрированные по времени ускорения частиц. Это снижает нагрузку на системы коррекции.
После численного моделирования и анализа полученных зависимостей за основу была выбрана вторая конструкция как компромисс вышеперечисленных преимуществ и недостатков. В этой главе представлены также пути понижения тепловых потерь в обмотке и возможные методы повышения температурного запаса магнита. Автором показано, что для каждой конструкции существует оптимальный диаметр СП провода, минимизирующий потери в обмотке. Температурный запас гораздо экономичнее повышать за счет понижения входной температуры гелия, чем за счет увеличения объема сверхпроводника путем увеличения числа проволок в кабеле.
После длительных обсуждений с разработчиками SIS300 и международным комитетом было принято решение повысить температурный запас до 1 К путем увеличения числа проволок в кабеле и оставить в качестве резерва возможность понижения температуры входного гелия. При этом число проволок в кабеле возросло до 36, что соответствует числу проволок в кабеле, применяемом для наружного слоя СП диполей LHC. Конструкция этого кабеля была принята за основу. Использование неполностью кистоунированного кабеля существенно усложнило конструкцию магнита. При разработке этой конструкции автору удалось комбинацией параметров толщины магнитопровода и радиуса отверстия для обратного потока гелия независимо подавить низшие нелинейности поля и интеграла поля, проинтегрированные по времени ускорения частиц.
В заключении подводится итог проведенных исследований и разработок.
17 На защиту выносится:
Программное обеспечение для расчета магнитных характеристик и оптимизации геометрии магнитных систем произвольной трехмерной конфигурации;
Методы коррекции магнитного поля в процессе массового производства магнитов.
Разработка магнитной системы Tevatron Electron Lens, установленной на ускорителе Tevatron. С помощью этой системы удалось повысить светимость ускорителя.
Оптимизированная конструкция квадруполя с высоким градиентом поля, разработанная автором, использует обмотку из Nb3Sn, имеет независимо подавленные нелинейности поля и интеграла поля и может с успехом применяться в новых проектах ускорителей заряженных частиц, в частности, в участках встреч коллайдеров.
Сверхпроводящий диполь, создающий быстроциклирующие магнитные поля, который имеет рекордные параметры по скорости изменения поля, на порядок превышающие существующие аналоги. Минимизация тепловых потерь в таком магните существенно снижает эксплуатационные расходы. Предложенная соискателем конструкция этого сверхпроводящего диполя принята за основу для изготовления прототипа дипольного магнита, используемого в последней ступени SIS300 разрабатываемого в GSI (Дармштадт) нового комплекса ускорительного комплекса для ускорения тяжелых ионов.
