FRIB超导螺线管电磁设计1

廖天发，梁 羽

（1.惠州学院 广东省重离子加速器工程技术研究中心，广东 惠州 516007；2.中国科学院近代物理研究所，甘肃 兰州 730000）

稀有同位素束流装置（The Facility of Rare Isotope Beams，简称FRIB）是美国能源部在密歇根州立大学（Michigan State University，简称MSU）建设的美国国家超导回旋加速器实验室一部分［1-2］，该装置可产生只存在于爆炸的超新星中的稀有同位素，造价5.5亿美元，将用于研究质子和中子之间的作用力，并可在材料科学及医学领域得到应用.

1 磁体简介

FRIB超导螺线管用于美国MSU的FRIB项目的超导直线加速器中，包括一个聚焦螺线管和一组双向矫正（水平矫正和垂直矫正）二极磁体，用于对束流聚焦和位置矫正.本设计详细介绍了FRIB超导螺线管的电磁设计，为后续的机械设计提供设计依据.

2 磁体参数

超导螺线管有两种规格，分别为有效长度50cm和25cm，聚焦螺线管和矫正二极磁体将组装在一个氦槽里，工作温度为4.5K.磁体要求在一个有限空间内产生平方积分磁场为和13.6T2m的轴向磁场，同时需要积分磁场为0.06 Tm和0.03 Tm的双向矫正磁场.50cm和25cm超导螺线管设计要求的分别如表1和表2所示.

表1 50cm超导螺线管设计要求

表2 25cm超导螺线管设计要求

3 磁体设计

3.1 聚焦螺线管设计

磁体要求减小杂散场，于是通过在主线圈外增加两个屏蔽线圈以降低杂散场［3-4］.通过非线性优方法，得到聚焦螺线管线圈形状如图1所示.漏场分布如图2所示，轴线磁场分布如图3所示，线圈最高磁场为7.95 T.

图1 50 cm聚焦螺线管线圈结构

图2 50cm聚焦螺线管漏场分布（>270高斯区域）

图3 50cm聚焦螺线管轴线磁场分布

50 cm聚焦螺线管设计参数如表3所示，由3个线圈组成，一个主线圈和2个屏蔽线圈，NT为主线圈，S1-A、S2-B为屏蔽线圈.平方积分磁场（-200mm≤z≤200mm）为28.2 T2m，直径30 mm范围内积分均匀度好于5%.三个线圈串联后由一台电源励磁，工作电流为90 A.4.5K温度下工作电流与临界电流的比值Io/Ic小于0.5.线圈采用三种线规以减小线圈体积，裸线尺寸分别是0.85mm、0.6mm和0.5mm，铜超比为1.3.线圈采用偶数层结构，线头从线圈一端进出.

表3 50cm超导螺线管线圈设计参数

基于相同的设计思路和原则得到了25cm聚焦螺线管的线圈设计如图4所示，漏场分布和轴线磁场分布如图5和图6所示.

图4 25cm超导螺线管磁场计算模型

图5 25cm超导螺线管漏场分布（>240高斯区域）

图6 25cm超导螺线管轴线磁场分布

3.2 矫正二极磁体设计

矫正二极磁体由两对跑道型线圈组成，安装于聚焦螺线管的主线圈和屏蔽线圈之间［5］，50cm超导螺线管集成双向校正二极磁体的整体模型如图7所示.矫正二极磁场分布如图8所示，峰值为0.12T，位于磁体中心.

图7 超导螺线管整体模型（左：50cm，右：25cm）

图8 矫正二极磁场分布（左：50cm，右：25cm）

线圈设计参数如表4和表5所示，横向积分磁场为0.06 Tm和0.03Tm，直径30 mm范围均匀度好于2%.每组矫正线圈由一台电源励磁，工作电流为19 A.矫正线圈与聚焦螺线管屏蔽线圈采用相同的线规，即裸线尺寸为0.5 mm，铜超比为1.3.线圈采用偶数层结构，线头从线圈一端进出.

表4 50cm矫正二极磁体设计参数

表5 25cm矫正二极磁体设计参数

（续表4）

（续表5）

4 结论

文章重点介绍了运用有限元磁场计算软件Vector Fields Opera进行FRIB超导螺线管的进行聚焦螺线管和矫正二极磁体的电磁设计，聚焦螺线管的均匀度好于5%，矫正二极磁体的均匀度好于2%.把设计报告交付给西部超导材料科技股份有限公司进行技术加工，并且进行了低温测试实验，与测试数据对比，验证电磁设计的合理性和可行性，最后成功应用在FRIB装置.通过FRIB超导螺线管的电磁设计，为未来该类型磁体设计应用在加速器领域提供宝贵的参考价值.