[论文解读] Test of a 1.8 Tesla, 400 Hz Dipole for a Muon Synchrotron

D. J. Summers, T. Hart+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2012

Superconducting Materials and Applications参考文献 1被引用 6

一句话总结

本论文提出了一种用于μ子同步加速器的1.8 T、400 Hz二极磁体原型，采用薄层取向硅钢叠片并使用斜接缝以最大化磁导率并最小化能量损耗。该设计通过IGBT开关控制的LC电路实现快速升压，仅需315 V低电压和每半个周期10%的低损耗，证明了其在高重复率μ子加速中的可行性。

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.

研究动机与目标

• 开发一种工作频率为400 Hz的快速升压二极磁体，适用于μ子寿命极短（2.2 μs）的μ子同步加速器。
• 通过使用高磁导率、低矫顽力的取向硅钢并优化接缝几何形状，最小化铁轭中储存的磁能。
• 利用由IGBT开关和电容供电的紧凑LC电路，实现低电压和低损耗的快速磁场升压。
• 通过实验测量和二维有限元仿真，验证斜接缝与平接缝在性能上的差异。
• 评估将该原型扩展为全尺寸μ子同步加速器的可行性，包括高场质保和束流管道兼容性。

提出的方法

• 使用0.011英寸厚的取向硅钢叠片并采用斜接缝，使磁各向异性方向与磁通方向对齐。
• 在LC谐振电路中采用52 μF聚丙烯电容和IGBT开关（Powerex CM600HX-24A），在400 Hz频率下实现快速磁场升压。
• 绕制12号铜线圈以承载54 A电流，未来运行计划采用水冷不锈钢管。
• 使用峰值感应霍尔探头（F. W. Bell 5180）连接Tektronix TDS3054B示波器测量磁场。
• 使用B&K Precision 1794电源进行直流和交流测试，并通过Epstein框架和Hysteresigraph 5500验证钢材性能。
• 采用自定义子程序在2D Opera-2d仿真中引入角度相关的磁导率，插值不同角度下的BH曲线。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过低电压、高磁导率材料与谐振LC电路，有效实现1.8 T二极磁体在400 Hz下的快速升压？
• RQ2 在取向硅钢叠片中，斜接缝与平接缝相比，在减少磁通泄漏和提升磁场均匀性方面表现如何？
• RQ3 取向硅钢的各向异性磁性能在多大程度上影响仿真精度与实际性能表现？
• RQ4 在1.8 T和400 Hz条件下，原型二极磁体的磁滞损耗和涡流损耗实测值是多少？
• RQ5 能否优化磁场所需的场质保和束流管道阻抗，以实现具备12 mm间隙的实用化μ子同步加速器？

主要发现

• 斜接缝二极磁体在425 Hz频率下达到1.81 T峰值磁场，电压430 V，线圈53匝，证明其在目标400 Hz频率下可稳定运行。
• 53匝配置下每半个周期的能量损耗为10%，表明磁滞损耗和涡流损耗极低。
• 当磁导率方向与轧制方向对齐时，钢在1.7 T时达到17,000的磁导率，在1.81 T时为9,000，证实其高性能表现。
• 磁滞回线测量显示矫顽力极低（0.09 Oe）且磁导率高，显著降低了铁芯中的磁滞损耗。
• 斜接缝设计在1.7 T后表现出非线性行为，表明其稳定运行的磁场极限接近目标值1.8 T。
• IGBT驱动的LC电路成功实现所需电流快速升压，仅需最低315 V电压，且通过示波器波形确认了受控的振铃现象。