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Nuclear Science and Technology
Vol. 08  No. 03 ( 2020 ), Article ID: 36507 , 6 pages
10.12677/NST.2020.83016

Cooling Analysis of Quadrupole Magnetic Coil of Drift Tube for China Spallation Neutron Source

Bo Li1,2, Huachang Liu1,2, Xiaolei Wu1,2, Keyun Gong1, Ahong Li1,2, Qiang Chen1,2, Mengxu Fan1,2, Yun Wang1,2, Peihua Qu1,2

1Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Science, Beijing

2Spallation Neutron Source Science Center, Dongguan Guangdong

Received: Jun. 26th, 2020; accepted: Jul. 7th, 2020; published: Jul. 14th, 2020

ABSTRACT

In China Spallation Neutron Source, classical Alvarez structure is used for the drift tube linac; the linac consists of 161 drift tubes, each with an electric quadrupole magnet to achieve high and adjustable magnetic gradient for strong focus. Quadrupole magnetic coil adopted SAKAE structure, which was invented by Japan Proton Accelerator Research Complex with small volume, small beam aperture, high excitation current and with water cooling. Compared with the pulse working mode with 35% duty ratio of J-PARC magnet, CSNS magnet works in DC mode with max current 570A; in addition, the water cooling pipe section of CSNS magnet reduced by 35%. So, it is very important to analyze the cooling and stable operation of the magnet coil due to the high ohmic heating. In this paper, the temperature rise of the magnetic coil under the condition of the maximum excitation current of 570 A and the cooling water flow of 1 L/min is calculated by empirical formula and software Workbench, and 9-hour-test was done on the prototype magnet, the magnet operated stably, the temperature rise is basically consistent with the simulation results.

Keywords:Drift Tube Linac, Quadrupole Magnetic, SAKAE Structure, Water Cooling, Temperature Rise

中国散裂中子源漂移管四极磁铁线圈冷却分析

李波1,2，刘华昌1,2，吴小磊1,2，巩克云1，李阿红1,2，陈强1,2，樊梦旭1,2，王云1,2， 瞿培华1,2

1中国科学院高能物理研究所，北京

2散裂中子源科学中心，广东 东莞

收稿日期：2020年6月26日；录用日期：2020年7月7日；发布日期：2020年7月14日

摘 要

中国散裂中子源漂移管直线加速器采用Alvarez结构，包含161台漂移管，每台漂移管内装有一台电四极磁铁以达到磁场梯度高且可调的要求，实现强聚焦。四极磁铁采用日本质子加速器研究中心研发的SAKAE结构，实现小体积、小孔径、高励磁电流、水冷线圈的要求。相比较于日本J-PARC的在35%占空比脉冲模式下工作的四极磁铁，CSNS漂移管四极磁铁工作在直流模式下，设计最高励磁电流570A，而且CSNS四极磁铁线圈的水冷管道横截面减小了35%，欧姆发热大，磁铁线圈的冷却及能否稳定运行分析十分重要。本文利用经验公式和软件Workbench分别计算了在最大励磁电流570 A，冷却水流量为1 L/min情况下，线圈的温升情况，并且对磁铁样机做了9小时的烤机实验，线圈温升与仿真结果基本一致，磁铁运行稳定。

关键词 :漂移管加速器，四极磁铁，SAKAE结构，水冷，温升

Copyright © 2020 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)位于广东省东莞市中子科学城内(规划)，是迄今为止我国最大的大科学装置(国家为解决重大科技前沿、国家战略需求中的战略性、基础性和前瞻性科技问题，谋求重大突破而投资建设的大型研究设施，是国家基础设施的重要组成部分)。CSNS的目标是成为世界主要脉冲散裂中子源科学研究中心之一，为我国基础及应用研究提供一个先进的多学科创新研究平台 [1]。

CSNS直线段采用经典的Alvarez结构漂移管直线加速器(Drift Tube Linac, DTL)，如图1所示是其单腔结构图。DTL总长约36 m，由12节腔筒和161台漂移管构成，负责把H−离子由3 MeV加速到80 MeV [2] [3]。漂移管结构如图2所示，由外壳和四极磁铁构成，外壳为无氧铜材质，通过电子束焊接成型 [4]，内部含有一台SAKAE结构的电四极磁铁 [5]，具有结构紧凑、体积和束流孔径小、磁场梯度高等优点。

Figure 1. Structural of drift tube linac

图1. 漂移管直线加速器实物图

Figure 2. Structural exploded view of drift tube

图2. 漂移管结构爆炸图

2. SAKAE四极磁铁线圈

为了减小漂移管内四极磁铁的体积和束流孔径、提高磁场梯度、抑制束流纵向和横向的耦合共振、同时为了满足束流的可调节性 [6]，日本质子加速器研究中心(J-PARC)研发了SAKAE结构电四极磁铁线圈。SAKAE电四极磁铁线圈采用线切割技术和反向周期电铸技术 [7] [8]，从一块无氧铜上切割并电铸出中空带冷却管道的四极磁铁线圈结构，实现体积小和束流孔径小、高磁场梯度的要求。中国散裂中子源漂移管加速器采用了这种小体积、小孔径、高磁场梯度的电四极磁铁，磁铁线圈结构如图3所示，磁铁的部分物理和几何参数如表1所示 [9]。相比较于J-PARC的四极磁铁线圈结构，CSNS漂移管四极磁铁线圈的水冷管道横截面减小了35%，而且J-PARC的四极磁铁工作在占空比为35%的脉冲模式下 [5]，CSNS漂移管四极磁铁工作在直流模式下，最高励磁电流570 A [10]，产生较大的欧姆热，因此磁铁线圈冷却十分重要。

Figure 3. Model diagram of SAKAE quadrupole magnetic coil

图3. SAKAE四极磁铁线圈模型图

Table 1. Parameters of SAKAE quadrupole magnetic

表1. SAKAE四极磁铁参数

由于线圈采用了电铸工艺，为了减小冷却水进出口压差和腐蚀效应，管道内流速限制在2 m/s以下，冷却水流量控制在1 L/m，进出口压差0.5 MPa。在此条件下，利用经验公式和软件Workbench对线圈的温升情况进行了分析，并且对磁铁样机做了9小时的烤机实验。

3. 四极磁铁线圈温升计算及仿真分析

DTL漂移管磁铁在最高励磁电流570 A，冷却工况为压差0.5 MPa，水流量1 L/min下，利用公式(1)来近似计算磁铁线圈冷却水最大温升ΔT，进而得到线圈近似温升。

C ⋅ m ⋅ Δ T ＝ I 2 ⋅ R (1)

其中，C是水的质量比热容，m是单位时间冷却水量，ΔT是线圈冷却水温升，I是磁铁励磁电流，R为线圈阻值，计算得到线圈冷却水温升为11.1℃，线圈温升可近似为11.1℃。

利用软件Workbench的稳态热分析模块对线圈进行发热冷却分析 [11]，冷却水温设置为25℃，仿真结果如图4所示，线圈冷却水入口处温度26.84℃，冷却水出口处温度40.14℃，线圈温升13.3℃。Workbench计算结果略高于公式(1)的计算结果，公式(1)计算的是冷却水介质的温升而Workbench计算的是线圈本身的温升，Workbench计算的更加准确。

Figure 4. Temperature distribution of magnetic coil by simulating

图4. 四极磁铁线圈仿真温度分布

4. 四极磁铁线圈温升测试

在高能所五号厅对磁铁线圈进行了长时间的最大额定电流570 A下进行运行测试，首先测量核准了冷却水流量1.0 L/min，然后逐渐升高励磁电流至最高，运行测试9个小时。用热成像仪测量线圈表面温度，温度分布如图5所示，表面最高温度在出水口，约41℃，最低温度在进水口管道处。

Figure 5. Temperature distribution of magnetic coil by measuring

图5. 四极磁铁线圈实测温度分布

图6是9个小时内，磁铁线圈进水处与出水处的温度变化及温差曲线，出水端最大温度41℃，进水端最小温度29℃，温差最终稳定在12℃，与Workbench理论仿真值13.3℃相比偏小，这是因为仿真时没有考虑线圈外表面热辐射及磁铁极头带走的部分热量，下一步可以优化边界条件，更准确的得到仿真值。另外，四极磁铁长期运行状况良好，满足工程需求。

Figure 6. Temperature variation of magnetic coil for 9-hour-test

图6. 磁铁9小时运行测试线圈温度变化

5. 总结与展望

对中国散裂中子源漂移管直线加速器及漂移管结构进行了介绍，漂移管采用SAKAE结构线圈，具有结构紧凑、体积和束流孔径小、磁场梯度高的优点，缺点是冷却困难。在最大励磁电流570 A下，经验公式计算的线圈近似温升11.1℃，Workbench计算线圈温升13.3℃，与磁铁样机实验结果12℃基本一致，且磁铁长时间运行稳定，满足中国散裂中子源漂移管直线加速器的运行要求。下一步，中国散裂中子源目前计划升级改造，漂移管磁铁励磁电流要提高约60%，还需要分析更高励磁电流下线圈的温升及考虑脉冲工作模式下线圈的温升。

基金项目

项目名称：中国散裂中子源漂移管直线加速器，项目类别：国家“十二五”项目子课题。

文章引用

李 波,刘华昌,吴小磊,巩克云,李阿红,陈 强,樊梦旭,王 云,瞿培华. 中国散裂中子源漂移管四极磁铁线圈冷却分析
Cooling Analysis of Quadrupole Magnetic Coil of Drift Tube for China Spallation Neutron Source[J]. 核科学与技术, 2020, 08(03): 137-142. https://doi.org/10.12677/NST.2020.83016

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