SHINE超导波荡器样机电流引线冷却设计及测试.docx

? ? SHINE超导波荡器样机电流引线冷却设计及测试 ? ? 汤启升 周巧根 吴腾马 张继东 樊 凯 丁 祎 文雍梅 1（中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800） 2（中国科学院大学 北京 100049） 3（中国科学院上海高等研究院 上海 201204） 波荡器是先进光源上的关键设备。根据其磁场的来源可分为永磁波荡器和超导波荡器（Superconducting Undulator，SCU）。相比于永磁波荡器，SCU在相同的磁隙下能产生更高的峰值磁场和K值，从而提高同步辐射或自由电子激光的性能［1-2］。国内外一些单位对SCU研究投入了大量精力和时间，并取得了一系列成果，如德国的ANKA（ANgstrom Source KArlsruhe）、美 国 的APS（Advanced Photon Source）等光源上都已实现了SCU在电子储存环上的运行［2-4］；俄罗斯的BINP（Budker Institute of Nuclear Physics）研制了峰值磁场 为1.2 T的SCU样 机［5］；上 海 同 步 辐 射 光 源（Shanghai Synchrotron Radiation Facility，SSRF）也研制成功了SCU模型机并已安装到电子储存环上。SHINE将建设三条波荡器线，其中一条线由40台磁体长度为4 m、周期长度为16 mm的SCUs组成，且可产生能量为10～25 keV的光子。 为验证技术的可行性，在批量生产之前进行了SCU样机的研制。该样机有两套冷却回路，其中一套冷却介质为45 K低温氦气的回路，用来冷却冷屏和二元电流引线等部件。另一套冷却介质为4.2 K液氦的回路，用来冷却超导磁体、束流通道。由常导铜引线段和HTS段组成的二元电流引线用来连接恒温器外部电缆与内部低温超导线圈，形成通电回路。由于HTS产生的焦耳热非常小且其导热系数小，较之于铜材引线可明显降低由45 K温区传递到4.2 K温区的热量。常导铜引线上有来自其热端的漏热以及通电后产生的焦耳热，这些热量如果没有被有效传递走，会引起HTS升温、失超。 目前，国际上研制、设计中的SCU都装有制冷机且内部置有液氦槽，即制冷系统与主机集成在一起，结构上较为复杂［1-5］，其优点是直接利用制冷机冷头和液氦槽来冷却电流引线［6-8］。在SHINE SCU样机研制中，结合将来的工程条件将制冷系统与主机分开，即液氦和低温氦气都是经由冷却管来冷却低温部件。这简化了SCU恒温器的结构，然而由于恒温器内部没有制冷机冷头和液氦槽，冷却管需要通过一系列导冷组件来冷却电流引线。 1 超导波荡器样机主体结构 SCU样机主要由磁体、电流引线组件、恒温器（真空罐、冷屏、冷却管）以及支撑台等组成。目前，国际上光源装置中无论是SCU还是超导扭摆器（Superconducting Wiggler，SCW）都采用了独立的束流真空室，即束流真空与绝热真空隔离［1，6-11］。为了实现1.58 T的峰值磁场，SHINE SCU的磁隙只有5 mm，无法放置独立的束流真空室。两条平行铺设在磁体上的铜箔和夹在铜箔之间固定厚度的铜条组成了开放式束流室，即绝热真空与束流真空连通。 真空罐中部有一个大法兰接口用来连接冷却管、电流引线等部件。冷却管缠绕在冷屏和铜脖上并通过低温传输管线连接到外部制冷系统形成冷却回路。冷屏处于磁体与真空罐之间，采用4组（每组4根）对称的不锈钢空心拉杆固定在真空罐上，用来屏蔽真空罐的辐射热，并冷却磁体支撑杆中部、减少对磁体的漏热。安装在冷屏中部的铜脖用来固定并冷却电流引线。 磁体处于恒温器内部的中心位置，通过5对沿磁体长度方向可平移的不锈钢空心杆支撑。4根液氦管对称分布在磁体的背面和侧面上，通过低温传输管线连接到外部液氦槽形成冷却回路。SCU样机各主要部件及它们的位置关系如图1所示。 图1 SHINE超导波荡器样机模型1-大法兰接口，2-二元电流引线，3-铜脖，4-真空罐，5-冷屏，6-磁体，7-磁体支撑杆，8-支撑台Fig.1 Model of SHINE SCU prototype1-Flange,2-Binary current leads,3-Copper neck,4-Vacuum chamber,5-Thermal shield,6-Magnet,7-Magnet support rods,8-Support platform 2 二元电流引线冷却方案 SCU样机共有5台电源给超导磁体供电，这就需要5对（共10根）二元电流引线来连接磁体上的低温超导线圈和大法兰接口上的常温电极法兰。每根二元电流引线上都有一个连接铜块固定在冷屏中部的铜脖上，用以电连接常导铜引线和HTS。HTS冷端连接在磁体上，由低温磁体对其冷却。常导铜引线上热端传导漏热以及通电