镨铁硼低温波荡器机械结构论文

1镨铁硼物性

磁铁是低温波荡器产生周期性强磁场的关键部件。镨铁硼材料在室温和低温下的热学特性和力学特性，是使用数值模拟方法进行结构优化设计的基础。在中国科学院物理所和理化所的帮助下，我们先后测量了镨铁硼在300K到80K之间的热导率、热容、热膨胀系数。此外，还分别测量了300K和80K温度下，镨铁硼的抗压强度、弹性模量和泊松比。

1．1热学特性

镨铁硼材料在低温环境下的热导率和比热容是对磁铁夹持机构进行热分析的必要参数。测量结果表明，镨铁硼样品热导率随着温度的降低而降低，在80K时，垂直和平行于磁化方向的热导率较为接近，均约为4W/m•K，该值约为相同温度下铝合金的5%左右。由于镨铁硼的导热性较差，因此在设计时需要尽量增大磁铁的传热面积。通常，我们使用热扩散系数α来衡量材料内部温度变化传播的速率，即热扩散系数越大的材料，温度变化越容易在该材料中传递。热扩散系数的定义式如公式(1)所示:α=k/(ρcp)(1)式中，k为热导率;ρ为密度;cp为比热容。镨铁硼在80K时的比热容约为185J/kg•K，约为室温下的40%。根据上述测量结果，比较镨铁硼和铝合金6061的热扩散系数，80K时，镨铁硼的热扩散系数约为铝合金的2%，这意味着镨铁硼材料内传递温度的速率远远小于铝合金。因此，在监测磁铁温度与热负荷关系时，应将温度探头布置在比较接近热负荷来源的位置。

1．2力学特性

镨铁硼材料随温度变化的膨胀曲线。镨铁硼在沿平行于取向方向上的收缩量大于垂直于取向方向上的收缩量。由室温降低到液氮温度时，单位长度的镨铁硼大约收缩0．8mm。300K和77K温度下，镨铁硼样品沿垂直于取向方向和平行于取向方向的的弹性模量Y、泊松比v和抗压强度σbc。

2传热结构设计

2．1磁铁夹持机构

对低温波荡器而言，磁铁的夹持机构不仅用于固定磁铁的位置，还需要通过良好的热接触，确保磁铁能够被冷却到设计温度，是传热结构设计的关键。磁铁夹持机构设计，与磁铁接触并进行热交换的结构包括:磁铁夹持基座、磁铁压紧块、磁极和磁极夹持基座。在设计时，应尽量增大上述结构与磁铁的接触面积，使热量更多的经过夹持机构传递至冷却管道。使用ANSYS软件模拟工作状态下磁铁的温度分布以及各个结构与磁铁之间的换热量，分析不同结构对磁铁平均温度的影响。假设夹持机构的底面为80K定温，在磁块顶面热负荷为0．35W，此时，镨铁硼磁块的平均温度约为82K，满足设计要求计算各个接触面的热流量。可以看出，磁极和磁极夹持基座由于与磁铁接触面积最大，其在冷却磁铁时起到的作用最大。因此，在公差设计时应确保磁极和磁极夹持机构在低温条件下与磁铁良好接触。由于低温环境下，铝合金的收缩量大于镨铁硼，因此在设计时需要确保磁极和磁铁在室温条件下接触良好。此外，需要注意的是，机械结构在降温后会发生收缩，这使磁块面临着可能被破坏的风险。因此，模拟计算该温度场下磁铁的受力情况，确保结构设计的可行性。计算得到磁块承受的最大应力约为782MPa，该值约为磁块抗压强度的70%，不会对磁块造成破坏，满足使用需求。

2．2冷却管道

冷却管道和内大梁支撑杆在设计时，会互相影响。一方面，支撑杆引入的热传导是热负荷的主要来源之一，冷却管道在设计时需要提供足够的换热面积，带走系统的全部热负荷。另一方面，内大梁支撑杆需要提供足够的机械强度，使得低温环境下机械结构的收缩造成的相位误差尽可能小。首先，分析热负荷对温度梯度的影响。设定支撑杆的安装位置，通过调整在该面积上加载的热流量大小，比较当采用单冷却通道或者双冷却通道的方案时，磁铁阵列的最大温差。随着热流量的增大，采用单冷却管道的方案时，磁铁沿束流方向的最大温差与采用双冷却通道方案时大得多。为避免支撑杆引入的热负荷对磁铁温度的影响，双冷却通道的方案是使磁铁阵列温度均匀度更小的设计。然后，选择冷却管道的布置方式，比较双冷却管道与单冷却管道方案对磁场相位误差的影响。使用ANSYS软件计算低温环境下内大梁的变形量，分析磁间隙的波动，再使用ＲADIA程序计算由于机械变形造成的相位误差。考虑液氮的流动方向，共存在如下四种设计方案:单通道同向、单通道反向、双通道同向和双通道反向。磁间隙模拟结果，双冷却通道的方案由于可以减小内大梁在束流方向上的温差，使得磁间隙波动量相对较小。相位误差计算结果，使用双通道的方案造成的相位误差约为0．1度，并且可以忽略液氮的流动方向对相位误差的影响，是非常适合低温波荡器的液氮管道布置方案。而单冷却通道的设计则最好分别在两真空内大梁内采用的相反流动方向。综上所述，低温波荡器内冷却管道采用双冷却通道同向并联的设计方案，每根真空内大梁中开设两条水平排布的冷却通道，使液氮在单梁上往返流动一个来回。该方案不仅可以获得更好的冷却效果，允许使用机械强度较大的支撑杆，还能有效减小降温造成的相位误差。而上下两真空内大梁采用相同的流动方向可以在简化管道的同时，并不造成相位误差额外的增大。

3结论

本文利用测量得到的镨铁硼物性参数，使用数值模拟的方法，综合分析低温波荡器内传热结构的热力耦合场，开展对磁铁及其夹持机构、冷却管道和真空内大梁支撑杆的分析研究。

(1)磁极和磁极夹持机构是冷却磁铁的关键结构，在设计工况下，磁铁的平均温度约为82K。因结构收缩对磁铁造成的压迫在磁铁的抗压强度范围内，不会对磁铁造成破坏。

(2)使用双冷却通道，不仅可以将支撑杆引入的热负荷完全吸收，能够允许使用长径比更小的支撑杆，还可以减小相位误差。感谢:中国科学院理化所和中国科学院物理所在镨铁硼物性的相关实验方面给予了帮助。

作者：张益诚 陆辉华 李少鹏 孙舒晨 杨宇峰 张建琴 单位：中国科学院高能物理研究所