基于2代高温超导带材的波荡器磁体失超研究

The topic of this project is the quench issue of undulator magnet based on 2G HTS tapes. Research on this topic will be performed through both numerical simulation and experiments. Appropriate numerical models based on finite elementary method and software will be built. Meanwhile, single-period magnets for testing will be designed and fabricated. The quench behavior of the test-magnets will be experimental studied using cryocooler-cooling. The quench behavior and characteristics, quench related physical quantities (MQE, NZPV), as well as key parameters need for quench detection and protection (hotspot temperature, quench voltage) will be studied through systematic and in-depth process. We will focus on quench propagation behavior and dynamic process in special structure of undulator magnet, and multiple factors affecting quench parameters, including particular superconductivity, properties and technical parameters of the winding, coupling of multiple physics between winding and magnet structure. The way of increasing quench propagation velocity, driving fast quench in whole magnet and limiting hotspot temperature and quench voltage will be explored. Results of this project may provide theoretical and experimental reference for quench protection protocol of developing future undulator with short period and high magnetic fields.

本项目以基于2代高温超导带材（2G HTS）的波荡器磁体失超问题为研究对象，采用数值计算模拟和实验研究相互补充结合的方案：以有限元方法与软件为基础，建立合理的数值模型进行计算模拟，同时研制测试用的单周期磁体，使用传导冷却方法开展失超实验，系统并深入的研究2G HTS波荡器磁体的失超行为和特性，失超相关的基本物理量：最小失超能量、失超传播速度，以及失超检测与保护所需的关键参数：热点温度、失超电压。重点研究失超在2G HTS波荡器磁体特殊结构中的传播行为与动态过程，以及影响失超基本物理量和关键参数的各项因素，包括超导线圈自身特殊的超导电性、物性和工艺参数，线圈和磁体结构之间的多物理量耦合效应。在此基础上探索提高失超传播速度、促进磁体整体快速失超的方法，以及降低热点温度和失超电压的途径。本项目的研究结果可为研制新一代短周期高磁场波荡器所需的失超保护方案设计提供理论基础和实验依据。

波荡器是储存环和自由电子激光装置中重要的插入件，用于产生高亮度的X射线。和常规永磁波荡器相比，超导波荡器可在缩短周期长度的同时维持较高的磁场值，使波荡器性能得到提升。虽然工艺较成熟的低温超导材料NbTi和Nb3Sn性能仍然有一定上升空间，我们有必要探索新的超导材料应用于未来的超导波荡器。近年来，对2代高温超导带材REBCO涂层导体的研究取得较大进展。由于其良好的超导性能和机械性能，将REBCO材料应用于超导波荡器可能进一步提升其磁场性能并简化冷却系统。然而失超是REBCO超导波荡器磁体应用中的难题之一。课题组通过模拟计算和实验两方面研究了REBCO超导波荡器磁体的失超问题，研究工作及重要结果主要包括3点。（1）建立了基于有限元方法的数值模型，通过模拟计算得到REBCO超导波荡器磁体线圈的失超行为和基本特性，如最小失超能量、失超传播速度等。基于此模型或改进后的模型可开展后续工作，如REBCO超导波荡器磁体线圈自保护能力的研究。（2）设计并研制了无层间绝缘（NI）的REBCO超导波荡器3周期短磁体，掌握了关键技术，包括REBCO接头研制、双槽同时绕线、引线处理、环氧固化等。研制经验可为REBCO超导波荡器磁体的实用化提供借鉴。（3）对REBCO超导波荡器3周期短磁体进行了液氮浸泡测试，初步研究了其液氮温区的失超行为，研究结果可为REBCO超导波荡器磁体失超保护方案的制定提供参考。