传导冷却型Nb3Sn超导螺线管线圈的研制

作     者：肖霆锋 

作者单位：广州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭康贤;方志春

授予年度：2024年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：Nb3Sn 结构设计 应力应变分析 热处理工艺 VPI 

摘      要：强磁场作为一种极端实验条件,孕育出许多重大的科学发现,是推动人类科学技术发展的一种强有力工具,因此强磁场技术得到广泛研究和大力发展。超导磁体可以产生均匀、持久稳定的高强磁场,且成本低、稳定性好,是当前强磁场技术发展的主要方向。中国在高场超导磁体领域虽然起步时间较晚,但相关研究与发展取得了显著进展,超导磁体设备的研发不断取得突破,在医疗、科研、能源等领域有广泛应用。但与国外一些发达国家相比,在一些关键技术层面仍有一定差距,大部分高端产品还依赖于国外进口,尤其是在高精度的科研用超导磁体设备,此外,美国等国家对相关仪器设备的禁令与封锁,更使中国科研事业受到阻碍,因此,急切需求全国产化的高精度的超导磁体。 本文研究了用于无液氦综合物性测量仪的14 T传导冷却型超导磁体中的Nb3Sn超导螺线管线圈的设计流程与制备工艺。首先根据14 T超导磁体的设计要求与限制条件进行电磁设计,为了产生足够的磁场并降低成本,使用Nb3Sn+Nb Ti混合型超导磁体的方案,基于磁体的导热与磁场的均匀型要求,确定该磁体由4个主线圈和2个补偿线圈组成,最内层两个线圈使用Nb3Sn超导线、第三个和第四个使用高性能铌钛超线圈,最外层两补偿线圈使用高性价比铌钛超导线;基于电磁设计结果设计Nb3Sn超导螺线管线圈的绕组结构和机械结构;使用有限元分析软件模拟预测Nb3Sn超导线圈的应力应变分布,验证其电磁设计与机械结构的合理性;创新地使用综合物性测量系统（PPMS）测试Nb3Sn超导线的临界电流密度,验证在不同热处理工艺对Nb3Sn超导性能的影响,确定线圈制备的最佳热处理温度工艺;最后设计与改进超导螺线管线圈的绕制工艺、热处理工艺、真空压力浸渍工艺等,验证超导线圈使用IR3环氧树脂通过真空压力浸渍工艺浸渍固化的可靠性与稳定性,并监测该工艺过程中线圈的应变情况。 基于本文传导冷却式Nb3Sn超导螺线管线圈的研制工作,为我国10 T以上干式超导磁体的研发提供了宝贵的经验。