超流氦低溫恒溫器冷質量準直調節及低溫變形分析

韓瑞雄，鄒正平，朱洪巖，常正則，葛 銳，李少鵬

(1.北京航空航天大學 能源與動力工程學院，北京 100191；2.中國科學院 高能物理研究所，北京 100049)

a——橫截面；b——縱截面圖1 低溫恒溫器的橫截面及縱截面Fig.1 Transverse and longitudinal sections of cryomodule

加速器驅動的次臨界系統(ADS)的注入器Ⅰ由中國科學院高能物理研究所負責研制，其中的TCM低溫恒溫器工作在2 K超流氦溫區，內部包括2臺325 MHz Spoke型(β=0.12)超導射頻腔、2臺超導螺線管磁體等[1-2]。TCM低溫恒溫器是國際上首臺帶束流運行的底部支撐型式超導腔低溫恒溫器。底部支撐型式的整機設計方案早期應用于超導磁體低溫恒溫器中[3]，在超導腔低溫恒溫器中僅有概念設計，還未有投入運行的先例，沒有運行數據來證明其可行性[4]。超流氦低溫恒溫器中超導設備在運行中需滿足加速器準直精度要求，對冷質量低溫變形量的預測及實驗驗證尤為關鍵，而冷質量處于密閉的真空容器中，激光跟蹤儀等接觸式測量儀器無法在線監測其位移變化[5]。為此，本文針對國內首次采用拉伸絲型位置監測儀(WPM)獲得的實測數據，分析超流氦低溫恒溫器中冷質量的低溫位移變化[6]。

1 超流氦低溫恒溫器結構

超流氦低溫恒溫器采用底部支撐的結構型式，即超導腔串及冷質量支撐在真空筒體的底部，每臺帶有2 K液氦容器的超導腔、超導磁體，通過一套低溫絕熱支撐部件固定在室溫低溫支撐平臺上，共用到4套低溫絕熱支撐，低溫絕熱支撐是4層金屬圓環/圓盤與玻璃纖維(G10)筒體過盈配合裝配，其中上、下兩層材料為316L不銹鋼，中間兩層材料為6061硬鋁合金[7]。超導腔及超導磁體支座底板的四角設置有三維調節機構，可對超導腔與超導磁體進行6個自由度的調節。超導腔串頂部設置2 K兩相供液管，底部設置螺旋毛細管型降溫與復溫管道，目的是為了保證超導設備的降溫與復溫速率。高功率耦合器及電流引線均采用5 K及80 K兩級熱錨的傳導冷卻型式。兩層低溫防熱輻射冷屏的冷卻介質分別為5 K氦氣及77 K液氮，采用6061硬鋁合金材料。為減少輻射熱負荷，2 K溫區的腔串、低溫管道及5 K冷屏包扎10層多層絕熱材料，而80 K冷屏及其低溫管道包扎30層多層絕熱材料。同時，為減少對流換熱，真空筒體夾層的真空度處于10-4Pa量級[8]。TCM低溫恒溫器的結構如圖1所示。

2 超導腔串的準直調節

在超流氦低溫恒溫器的運行過程中，超導腔及超導磁體束流管中心線的位置精度需滿足加速器準直要求，其準直調節方案要保證加速器元件的裝配精度及長期位置穩定性[9]。在室溫裝配環節，對超導腔及超導磁體進行位置測量及標定，并將其束流管中心調節為一條直線。為此，每個超導腔及超導磁體的底部支撐板設置4個準直調節C型塊，C型塊的可調螺栓與彈性鎖緊螺柱配合使用，以進行3個方向、6個自由度上的位置微調，每個方向的微調量為±4 mm，超導腔及超導磁體位置調節塊如圖2所示。

圖2 超導腔及超導磁體位置調節塊Fig.2 Position adjustment parts of cavity and magnet

超導腔及超導磁體的加速器準直精度要求為：x、y向的位置精度為±0.5 mm，z向的位置精度為±1 mm。超導腔串在室溫準直調節完成后，低溫下的位置會發生偏移。若有較為準確的低溫位移變化數據，則可在這個環節預留低溫補償量，來保證束流線上超導設備在運行中(2 K超流氦溫區)各方向的相對位移滿足要求。若低溫下超導設備間的相對位移處于位置精度區間內，可通過低溫恒溫器整體調節來達到要求，若低溫下超導設備間的相對位移過大，恒溫器整體位置調節也無法達到準直要求，這需將低溫恒溫器整體復溫，拆除超導腔串重新進行準直調節，直到滿足低溫準直指標要求。

3 冷質量的低溫位移模擬分析

在超流氦低溫恒溫器的裝配集成環節，超導腔及超導磁體在室溫下進行激光測量、準直調節，若提前預留低溫位移變形量，則可避免低溫下的位置偏移過大問題，因此冷質量的低溫位移模擬分析至關重要。首先，需對冷質量的模型進行簡化，同時選取一半的模型進行熱應力和位移模擬分析。其次，加載邊界條件，其包括溫度和自身重力載荷，不同材料的熱膨脹系數、熱導率及彈性模量隨溫度的變化如圖3所示[10]，模擬結果如圖4所示，根據位移云圖可得到超導設備束流中心線的x、y及z向最大位移變化分別為1.64、0.8及0.2 mm。

4 WPM在線測量方案

在超流氦低溫恒溫器的總體集成組裝環節中，采用激光跟蹤儀將超導腔串的中心線調節成一條直線并重合于理論束流中心，這樣超導腔串在常溫下滿足加速器準直精度要求。但超導腔串的位置在低溫下會發生偏移，這個冷質量的相對位移變化需借助WPM進行在線測量，來驗證有限元模擬分析預測的結果，為后續項目提供數據基礎[11]。

圖3 不同材料的熱導率、熱膨脹系數及彈性模量隨溫度的變化[10]Fig.3 Thermal conductivity, thermal expansion coefficient and elastic modulus of different materials vs temperature[10]

圖4 冷質量的低溫模擬結果Fig.4 Cryogenic simulation result of cold mass

超流氦低溫恒溫器總體組裝集成完成并降至超流氦溫區，由于冷質量處于密閉的真空容器中[12]，激光跟蹤儀等接觸式測量儀器無法進行在線監測其位移變化。TCM低溫恒溫器的每個超導腔及超導磁體均安裝有WPM探頭，4個成對的信號線引出至真空筒體外部。在低溫恒溫器的降溫及運行過程中，在線測量超導設備束流線的相對位移變化量。每套WPM包括4個成對的信號接收線，獲取的成對差分信號作為監測對象，WPM利用接收射頻信號來監視在微波頻率范圍內的調幅。當拉伸絲由于冷收縮而發生位移變化時，微帶感應電壓將隨相對位移的改變而變化，拉伸絲位置可由微帶感應電壓求解得到。當射頻信號通過束流管時，由WPM的4個電極產生感應電壓，其基本原理如圖5所示[13-14]。根據式(1)及(2)可得到x或y向的相對位移D。

圖5 WPM工作原理Fig.5 Working principle of WPM

(1)

(2)

式中：V為感應電壓，V；b為WPM的內徑，mm；φ為頻帶張角，rad；x、y為距離中心的距離，mm；下標A、B、C、D表示x、y軸的4個方向。

5 WPM在線測量數據分析

因為底部支撐型式低溫恒溫器的超導設備獨立支撐于室溫的底部支撐平臺上，所以軸向(z向)的位移變化較小，可忽略不計[15]。TCM低溫恒溫器的超導腔及超導磁體在降溫及低溫運行中，對x及y向的低溫位移變化量數值進行記錄。x、y向上的低溫位移變化如圖6所示。可看出，在冷質量降至2 K溫區后，x向各超導設備的最大、最小變形量分別約為-0.25 mm、-0.75 mm，相對位置偏差約為0.5 mm。y向各超導設備的最大、最小變形量分別約為-1.25 mm、-1.65 mm，相對位置偏差約為0.5 mm。同時y向的低溫位移量較x向偏差大，這是由于y向是從室溫到低溫熱量傳遞的路徑方向，溫差較大，所以低溫變形較大。

超導腔串在同一方向的位移變化量雖有所差別，但各超導設備的相對位移均小于1 mm(±0.5 mm振幅)，這也體現了底部支撐型式低溫恒溫器的低溫變形一致性。隨后，維持低溫恒溫器的低溫狀態不變，利用低溫恒溫器的底座三向調節機構，對低溫恒溫器進行整體位置調節(x向與y向分別調節0.5 mm、1.5 mm)，就可滿足超導腔串的加速器準直要求(小于±0.5 mm)。

圖6 WPM測量得到的低溫位移Fig.6 Cryogenic deformation by WPM

根據有限元模擬分析得到的超導設備束流中心線的x及y向最大的低溫位移變化分別為-1.64 mm、-0.8 mm，這與WPM在線測量的數據有很好的一致性，有效證明了有限元模擬分析的有效性。

通過WPM實測數據可看出，若超導腔串在同一方向的相對位移均大于1 mm(±0.5 mm振幅)，使得恒溫器的整體調節無法滿足加速器準直要求，這需將低溫恒溫器整體復溫，移除超導腔串重新進行準直調節，這樣重新拆裝并返工對設備及項目影響較大，所以冷質量低溫變形量預測至關重要。因此，在后續的項目中，利用模擬得到的低溫位移預測數據，在超流氦低溫恒溫器的室溫總體集成組裝環節，預留低溫位移變形量，使得超導腔串在低溫下能滿足準直精度的要求，避免復溫后重新準直調節的風險。

6 結論

TCM低溫恒溫器是國際上第一臺帶束流運行的底部支撐型式超導腔低溫恒溫器，此類型低溫恒溫器的冷質量低溫下位移變形及準直調節至關重要，通過有限元模型分析來獲得變形預測量，利用WPM在線測量數據來驗證模擬分析方法，結果表明二者具有很好的一致性。國際上設置WPM的在線運行低溫恒溫器很少，國內尚屬首次。冷質量低溫位移變化預測值為室溫準直調節提供重要的數據依據，保障了超導射頻腔和超導螺線管磁體在超流氦溫區運行中的加速器準直要求，其設計方案為后續類似結構的低溫恒溫器的準直調節及批量應用提供了重要基礎。