快循环励磁磁铁动态特性的研究

Magnets are the important part of the accelerator. The performance of the magnetic field have a direct influence on the property and quality of the beam, and the grasp of the magnetic field property is the first premise to ensure the quality of these magnets. Comparison with the magnets excited by the direct current,the rapid cycling excited magnets,as a new type of magnets,appear new properties,which has a close relation with the magnetic field quality. Because of the excitation of the alterating current the eddy current will be produced in the core of the magnets and the magnetic field in the air gap of these magnets will be delayed, at the same time, the magnetic field distribution in the space will be changed with the different time. Unfortunately, we know little about these magnets and need research more in theory. Thus, it is very significant to study this subject. Transient electromagnetic simulations, which can achieve the working state at any time, is a effective mathod,and how to make better use of it needs research and emploration. In this program, in order to the physical relation of the power supply and the inductance of the rapid cycling excited magnets,the basic theory of these magnets are analyzed. Then, the method the transient electromagnetic simulation are stuied and demonstrated. Finally,we take the transient electromagnetic simulation and do a series study of magnetic dynamic properties, which include the space propery, the time proerty,inductance property and the heat propery.

磁铁是加速器中重要的基本部件之一，磁铁磁场性能的好坏直接影响着束流性能和质量，而对磁场特性的掌握是保证磁铁质量的前提条件。快循环励磁磁铁是一种新型磁铁，与直流励磁磁铁相比，呈现出新的特性，主要是因为交流励磁在铁芯内产生涡流，引起磁铁发热，也导致磁铁气隙内磁场延迟，空间磁场分布发生改变等。这些特性与磁铁气隙内的磁场质量密切相关。而我们对这类磁铁还缺乏足够的认识，在理论上需要更深入地研究。瞬态电磁场计算方法能模拟出快循环励磁磁铁在任意时刻的工作状态，是全面掌握这类磁铁的有效手段，如何更好地利用这种方法对交变励磁磁铁进行模拟值得研究和探索。本项目拟针对快循环励磁磁铁的工作原理进行剖析，找出供电电源与磁铁电感之间的物理关联，然后，对瞬态电磁场计算方法进行研究和论证，最后，对快循环励磁磁铁进行模拟计算，做一系列动态磁场特性的研究，动态磁场特性包括：磁场的空间特性、时间特性、电感特性和磁铁的发热问题。

通过完成本项目，积累了多种类型加速器磁铁设计的经验，尤其是快循环励磁磁铁的设计。为了提高加速器束流的性能和质量，对交变电流励磁磁铁特性的研究也会越来越重要。本项目完成了以下几个方面的研究：1. 以CSNS/RCS二极磁铁样机作为研究对象，分析快循环励磁磁铁与供电电源之间的关系，并利用有限元软件对带直流偏置的交流二极磁铁进行瞬态电磁场计算，得到磁铁的动态特性；同时，将电磁场计算得到涡流损耗输入到温度场模型进行温度场计算，得到磁铁的温升，温升计算结果的可靠性已被实验验证。研究结果撰写文章在IEEE杂志上发表。2. 利用相同的电磁场计算和温度场分析方法对CSNS/RCS正式二极磁铁进行了端部垫补及开槽方案的优化，并分析开槽对磁场的影响。该优化方案的计算结果已被磁场测量和温升实验所验证，研究结果投到《强激光和粒子束》杂志上（已接收）。3. 以BEPCII直线末端磁铁为例，对不同铁芯材料的脉冲电流励磁磁铁进行瞬态电磁场计算与分析，得出将现有铁芯更换成叠片铁芯，磁铁可得到所需的稳定磁场。此外，对相邻交变磁铁的边缘场干涉效应也做了研究，结果已写文章投在IEEE杂志上（已接收）。在项目完成期间，应邀出席韩国的MT24（国际磁工会议）并提交了研究结果。本项目中提出的电磁场计算和温度场分析已成功运用于变电流励磁磁铁当中，为掌握这些磁铁的磁场特性、解决磁铁因涡流而导致发热问题提供了计算方法。准确深入地掌握这些磁铁特性对同种类型磁铁的设计、端部垫补及磁铁的未来运行都具有重要意义。