超导磁体

4.9 超导磁体

4.9.1 概述

磁体系统是谱议的关键部件之一，它提供高强度和一定均匀度的恒定磁场，供主漂移室测量带电粒子的径迹，用以研究基本粒子间的相互作用和规律。超导磁体利用轭铁提供磁场回路。

根据BESIII 物理工作的需要，要求主漂移室有高的动量分辨率，但主漂移室的动量分辨率主要由室内物质的多次库仑散射决定，此时改进室的空间分辨率和测量次数（增加灵敏丝的层数）以改进测量统计性都不能改进动量分辨率，而增加磁场强度可以达到这一目的。但另一方面，如果磁场强度过高，更多的低能量粒子会陷在漂移室内打圈而很难测量。综合各种因素，选择北京谱仪磁铁的中心磁场设计值为1.0T 。

为避免在粒子径迹拟合时做过多的离线计算机校正，要求径迹区内磁场不均匀度较小。但由于线圈工艺复杂，体积宏大，加工生产中必然会产生不圆度。另外由于各子探测器电子学的需要，轭铁上电缆孔很多，参照BESII 的情况，目前仍将不均匀度指标定在≤5%。基于主漂移室IV 动量分辨率的要求，磁场测量精度应≤0.1%。

4.9.2 超导磁体设计

4.9.2.1 磁体基本参数设计及计算

根据北京谱仪BESIII 的物理要求，参照国际上同类磁体的设计进经验，确定采用单层线圈结构，间接冷却方式，超导电缆采用基于纯铝稳定体的设计。根据总体和内部子探测器的尺寸要求，初步确定磁体外形尺寸长度为4.91m ，内直径为2.75m ，外直径为3.4m ，线圈的长度为3.52m ，线圈中心直径为2.95m 。 若取线圈电流I 为3000A ，nI B 00μ=，其中T B 10=，可得1m 长的线圈匝数为n ≈266匝，超导电缆沿线圈轴向方向的厚度为3.7mm ，考虑到匝间的绝缘层的厚度后，线圈总匝数为921匝。考虑到线圈绕制时，由于超导电缆的连接会减少线圈的有效匝数，现将工作电流定为3150A 。

线圈的储能l D B l S B V B H E ⋅⋅⋅=⋅⋅⋅

=⋅=42121)21(2

0202πμμ = 9.5兆焦耳。从 n D B n S B ⋅⋅=⋅⋅=Φ42π=6063.6韦伯，dt dI L dt d =Φ，I

L Φ

=得出电感L = 2.1亨利。

考虑到在发生失超时，线圈吸收全部储能，最大温升控制在70K 以下，从超导电缆的焓差，可以确定超导电缆沿线圈径向方向的高度尺寸为20mm 。 超导线圈通电后，会产生很大的径向扩张力，需要设计一个支撑圆筒来箍住线圈，支撑筒必须是无磁材料，具有良好的焊接性能和机械强度。国外一般采

用A5083铝，由电磁力和强度计算结果，其厚度定为15mm。线圈中的冷物质包括超导电缆、支撑筒、止口环、冷却管等，重量约为3.6吨。

超导磁体磁路设计时，除了满足给径迹区提供均匀磁场的要求外，还需要将轭铁分成多层，做μ子的吸收体，每两层轭铁之间留出空间安装μ子探测器，轭铁桶部9层，端盖9层。为了保证径迹区的磁场均匀度，在两端设计磁铁极头，以构成较好的磁场回路。超导磁体的基本参数如下表。

表4.9-1 BESIII超导螺旋管线圈基本参数

超导电缆的工作电流为3150A(@4.5K)，工作磁场为1T，需要选用工作电流为6300A(@4T，4.2K)的线材。参考BELLE探测器使用的铌钛线材，在4T下的临界电流密度为J C=2600A/mm2(@4.2K)，超导线中铌钛与铜的比例约为1:1，则6300A时所需要的铌钛面积为2.42mm2，而超导线的截面积约为4.84mm2，所以，采用超导线的截面为宽1.3mm、高3.8mm。

下图为超导螺旋管磁体线圈复合超导电缆的横截面结构。

图4.9-1超导电缆横截面示意图

针对螺旋管磁体超导电缆截面的特殊性，需要采用特殊的绕线工艺和装配工艺，控制导线张力、匝间层间绝缘性能及处理多段导线的连接接头。线圈在工作时要产生的径向扩张力由支撑筒来承担，在采用内绕工艺绕制线圈时，有利于线圈贴紧这个支撑筒的内壁。

4.9.2.2磁场分布计算

为了了解磁场的两个主要参数，即径迹区的磁场均匀度和沿束流线的漏磁，我们对多种轭铁配置方案进行分析计算。考虑总体和MUON的设计要求，铁的配置方案为，端盖轭铁的厚度从1～9层分别为40，40，30，30，30，50，80，80，50mm；桶部轭铁的厚度从1～9层分别为30，30，30，40，40，80，80，

80，150mm 。

磁场分布结果如下图。在不考虑加速器超导四极铁影响的情况下，分别用OPERA 软件和ANSYS 软件计算场分布，两者的结果一致，结果显示MDC 径迹区内的磁场均匀度为2%；反螺线管加电后，径迹区均匀度为13%；在离对撞点中心3.5m 处，漏磁为54高斯。若再考虑桶部和端盖轭铁之间的电缆槽里，还有一些铁的五角形垫块，则3.5m 处的漏磁会低于50高斯。另外，考虑到加速器的ISPB 和Q1磁铁对探测器漏磁有特殊要求，我们也对多种能减小漏磁的局部屏蔽方案进行了研究。

图4.9-2 磁场分布图

图4.9-3 沿束流中心线的磁场强度分布

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m T

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0.01000.02000.03000.04000.05000.06000.07002.20

2.50

2.80

3.10

3.40

3.70

4.00

4.30

4.60

4.90

5.20

m

T