[논문 리뷰] Test of a 1.8 Tesla, 400 Hz Dipole for a Muon Synchrotron

D. J. Summers, T. Hart외 7명|arXiv (Cornell University)|2012. 07. 28.

Superconducting Materials and Applications참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 2.2 μs의 짧은 무메론 수명과 호환되며 400 Hz에서 작동하는 무메론 싱크로트론을 위한 1.8 T, 400 Hz 디폴 전자석 프로토타입을 제시한다. 미세한 균질성 방향 실리콘 철강 판을 사용하고, 미트드 조인트를 적용하여 자기 투과도를 극대화하고 에너지 손실을 최소화한다. IGBT 스위치가 장착된 LC 회로를 통해 낮은 전압(315 V)과 낮은 손실(반주기당 10%)로 빠른 램핑을 실현하여, 고반복률 무메론 가속화의 실현 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

A 1.8 T dipole magnet using thin grain oriented silicon steel laminations has been constructed as a prototype for a muon synchrotron ramping at 400 Hz. Following the practice in large 3 phase transformers and our own Opera-2d simulations, joints are mitred to take advantage of the magnetic properties of the steel which are much better in the direction in which the steel was rolled. Measurements with a Hysteresigraph 5500 and Epstein frame show a high magnetic permeability which minimizes stored energy in the yoke allowing the magnet to ramp quickly with modest voltage. Coercivity is low which minimizes hysteresis losses. A power supply with a fast Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) switch and a capacitor was constructed. Coils are wound with 12 gauge copper wire. Thin wire and laminations minimize eddy current losses. The magnetic field was measured with a peak sensing Hall probe.

연구 동기 및 목표

• 무메론 수명이 짧은 2.2 μs인 400 Hz에서 작동하는 빠른 램핑 디폴 전자석을 개발한다.
• 자기 이완 에너지를 최소화하기 위해 고투과도, 저코어시비티 균질성 방향 실리콘 철강을 사용하고, 최적화된 조인트 기하학을 적용한다.
• 작은 LC 회로에 IGBT 스위치와 커패시터로 구동되는 방식으로 낮은 전압과 낮은 손실로 빠른 필드 램핑을 달성한다.
• 실험 측정과 2차원 유한요소 시뮬레이션을 통해 미트드 조인트와 버트 조인트의 성능을 비교 검증한다.
• 실제 무메론 싱크로트론에 적용 가능한 고장력 품질과 빔 파이프 호환성을 고려한 프로토타입의 스케일업 가능성을 평가한다.

제안 방법

• 자기 이방성 방향을 자기 흐름 방향과 일치시키기 위해, 0.011인치 두께의 균질성 방향 실리콘 철강 판을 사용한 미트드 조인트를 적용한 디폴 전자석을 제작하였다.
• 400 Hz에서 빠른 필드 램핑을 달성하기 위해, 52 μF 폴리프로필렌 커패시터와 IGBT 스위치 (Powerex CM600HX-24A)를 사용한 LC 공진 회로를 적용하였다.
• 12게이지 구리 코ils를 wind하여 54 A 전류를 유도하였으며, 향후 운전을 위해 물 냉각이 가능한 스테인리스 강 파이프 계획을 수립하였다.
• 피크 센싱 헬프로브 (F. W. Bell 5180) 를 사용하여 자기장 측정을 수행하였으며, Tektronix TDS3054B 옛스코프에 연결하였다.
• B&K Precision 1794 전원 공급장치를 사용한 DC 및 AC 시험을 실시하였고, 스티프닝 프레임과 Hysteresigraph 5500를 이용해 철강 재료의 특성을 검증하였다.
• 각각의 각도에서의 BH 곡선을 보간하기 위해 고유 서브루틴을 사용한 2D Opera-2d 시뮬레이션을 수행하였으며, 각도 의존성 투과도를 고려하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저전압, 고투과도 재료와 공진 LC 회로를 사용하여 1.8 T 디폴 전자석을 400 Hz에서 효과적으로 램핑할 수 있는가?
• RQ2 균질성 방향 철강 판에서 미트드 조인트가 버트 조인트보다 자기력 누출을 줄이고 필드 균일성을 향상시키는 데 얼마나 기여하는가?
• RQ3 균질성 방향 실리콘 철강의 이방성 자기 특성이 시뮬레이션 정확도와 실제 성능에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 1.8 T 및 400 Hz에서 작동하는 프로토타입 디폴에서 측정된 히스테리시스 손실과 에디스 전류 손실은 각각 얼마인가?
• RQ5 실제 무메론 싱크로트론에서 12 mm 갭을 고려할 때 자기장 품질과 빔 파이프 임피던스를 최적화할 수 있는가?

주요 결과

• 53匝 구형에서 430 V, 425 Hz 조건에서 1.81 T의 피크 자기장을 달성하여, 목표 주파수인 400 Hz에서 안정된 작동을 확인하였다.
• 반주기당 손실이 10%로 측정되어, 히스테리시스 손실과 에디스 전류 손실이 낮음을 확인하였다.
• 철강의 투과도는 1.7 T에서 17,000, 1.81 T에서 9,000에 도달하여 고성능을 입증하였다.
• 히스테리시스 루프 측정 결과 저코어시비티(0.09 Oe)와 고투과도를 보이며, 코어 내 히스테리시스 손실이 최소화됨을 확인하였다.
• 미트드 조인트 설계에서 1.7 T 이상에서 비선형 행동이 관찰되어, 안정된 작동을 위한 목표 1.8 T 근처의 자기장 한계를 확인하였다.
• IGBT 기반 LC 회로는 최소 전압(이deal 315 V)과 제어된 리버버브를 통해 요구되는 전류 램핑을 성공적으로 제공하였으며, 오스코프 트레이스로 확인되었다.