HIRFL—CSR大科学工程高精度二极磁铁研制
袁 平 张小奇 孙国平 王文进 雷海亮 王 丰
谢春安 徐大宇 张 斌 马力祯 何 源
（中科院近代物理研究所 兰州 730000）
摘要：本文报告了九五国家重大科学工程——兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL—CSR）中高精度磁铁的研制。所有高精度磁铁都是用0．5mm厚的硅钢片制造，两端是用胶粘接的黏结短板，中间是散片，用大型油压机整体叠压焊接而成。冷却储存环主环（CSRm）选用磁极带改善磁场分布均匀度通孔的H型二极磁铁，而实验环（CSRe）则根据物理需要选用C型二极磁铁，其中在磁极面用一通孔和两个通槽来改善磁场的均匀度。在优化磁场磁场的均匀度达到±2×10（上标－4），16台磁铁间的分散性也控制在±2×10（上标－4）以内。
关键词：二极磁铁 磁场分布 磁场计算
1前言
随着高能加速器和重离子加速器科学大工程装置的迅速发展，特别是高能重离子加速器的发展，大型高精度磁铁技术也取得了迅速进展。兰州重离子加速器和冷却储存环装置（HIRFL—CSR）是九五国家重大科学工程项目，是个由主环和实验环组成的多功能冷却储存环系统，储存环的高精度二极磁铁有33台，该高精度磁铁采用专用磁场计算程序OPERA进行详细的二维和三维优化计算模拟，没有投入原型样机的研制，直接进行首台和批量研制，节省了经费和缩短了工期。由于要求磁场是脉冲变化的，为了涡流影响而采用0．5mm厚的高磁导率的冷轧各向同性的电工钢片。
2高精度磁铁物理设计
主环和实验环二极磁铁的技术指标见表1。由此可见，储存环不仅对二极磁铁的磁场在好场区内的横向分布有较高的要求，要满足±2×10（上标－4），而且还要求其积分场分布也要满足这样的磁场质量，还要求其离散性要满足于±2×10（上标－4）的要求，并且磁场的变化范围较大。
2．1磁铁选型
为了在磁场大范围内变化时能满足磁场质量的要求，主环原采用改进W型二极磁铁，这样既可减小磁铁的尺寸，又可进一步提高好场区的磁场质量。但是其三重马鞍形线圈结构的加工难度较大，且加工质量和精度难以保证。因此，现在将主环二极磁铁选为H型铁芯和跑道型线圈代替来降低其加工难度，为了解决磁场在大范围内（0．1～1．4T）变化时，磁场质量均能满足物理要求，除去极面两端有垫补外，再在磁极中间位置开一圆孔的技术方案。由于物理实验的需要而将实验环二极磁铁选为C型，实验环需要的好场区很宽，磁场的变化范围也较大，磁极宽度又受到冲片最大尺寸的限制，因此为了能满足磁场质量的要求而决定也采用铁垫补和在C型磁极面上用空气槽和孔来改善磁场分布的设计方案。
2．2磁铁材料
国内一般冷轧无取向硅钢片从磁化曲线线性区过渡到非线性饱和区的磁感应强度范围约为1．2～1．6特斯拉，所以综合考虑储存环LATTICE结构和磁铁的制造工艺及励磁效率后选定储存环的主磁场为已进入非线性区的1．4特斯拉。因为储存环主环是同步加速器，既累积又加速，实验环也有减速功能，所以就要求磁铁的磁场都呈脉冲变化。为了减少铁芯的涡流损耗，二极磁铁铁芯用一片片互相绝缘的无取向硅钢片叠装焊接而成。硅钢片主环选用武钢生产的J23—50型号的超低碳低硅纯铁板，碳含量（0．002％冲片要带有半有机或无机绝缘层。但由于受到工艺上的限制，其厚度只能做到0．5mm，冲片的最大宽度只能做到1000mm。由于实验环是C型二极磁铁，好场区很宽，所以采用宝钢2001年开始生产的B50A470冷轧无取向硅钢片，幅宽最大达到1260mm。由于板薄，无疑增加冲制、掺和和叠装铁芯时的工作量和难度。磁铁线圈一般为水冷结构，铜线采用外方内圆的空心铜管，因为国内的无氧铜管技术尚不十分成熟而且价格也贵，所以为了节约经费而选用了T2铜或低氧含量铜。在线圈的加工中，采用内套无熔剂焊接的结构和工艺，和必要的样品拉力实验和剖面检查，保证了冷却水的无渗漏和线圈的长期可靠运行。
2．3磁铁的物理设计
主环二极磁铁所需的好场区为140×60m㎡，加上真空室壁厚和烘烤层厚及装配间隙，磁铁气隙高度定为80mm。我们用OPERA程序对二极磁铁磁极形状进行了二维和三维计算，选取主环二极磁铁的磁极宽度为350mm，在磁极两端有铁垫补，以便在有限磁极宽度条件下获得较宽的好场区；磁极两端采用罗高斯基等B曲线形状，可以在1．4特斯拉情况下也能得到好的场分布。极心内外侧边缘形状是对称于极心轴线的，它们由平行段、铁垫补段、等B型段组成。
3高精度磁铁研制加工
在本项目开始时，国内还没有研制过大型弯冲片磁铁，特别我们所在HIRFL工程中只用到实心磁铁，没有任何冲片磁铁和真空环氧浇铸经验。可是磁铁储存环需要的整体叠压冲片二极磁铁最长达到3m，最重将近33t，四极透镜孔径从ф80ram到ф270mm有很多规格，最长为1100mm，最重将近7吨。受工程经费的限制，所有磁铁必需在国内研制，这给本项目带来了相当的难度。因此，我们在向国内有冲片磁铁经验的兄弟单位学习后，又与国外同行进行了交流，主要引进、消化、吸收、改进了德国GSI的大型弯铁制造技术工艺和俄罗斯BINP的大型线圈真空环氧浇铸技术工艺，与国内制造厂家技术人员一起攻克了这些技术难关。从2000年与兰州电机厂用主环注入束运线ф100mm孔径四分片四极透镜做样机开始试制透镜的黏结端板和叠压及线圈的真空透明环氧浇铸新工艺；与上海克林公司一起用主环注入束运线二极磁铁试制新C型弯铁的黏结端板、整体叠压和焊接工艺。从这些冲片磁铁的试制中发现技术和工艺问题。加以讨论解决，为后来高要求的储存环磁铁研制打下很好的基础。
为了更好地控制磁铁质量和满足工程高要求及安装调试配合，高要求的储存环磁铁主要由我所控股的兰州科近泰基公司承担加工制造，从2002年开始主环磁铁的研制。主环二极磁铁采用改进H型结构，磁铁长度将近3m，重量约18t。主环磁铁极心与磁轭是相连的，在立柱中心平面处分为上下对称两部分铁芯，它们由同一冲模冲出的硅钢片叠装而成，上下铁芯用螺检和定位梢进行连接。对磁极的平行度、平面度和中心对称度要求很高，来保证磁铁的叠装精度。为了尽量降低冲片可能存在的不同部位厚度的不一致性，用在幅宽方向排两片来部分抵消材料同板差；由于硅钢片材料化学成分差异而造成的磁性能不一致性和机械不对称性，要对冲片进行掺和。主环约需每包3吨的硅钢片140包，铁芯必须在140包硅钢片全部冲好后才能开始叠装，这样叠装的每一半铁芯的冲片分别取自140包硅钢片。两端各有一块端板，是由在叠片上涂以环氧胶，叠片后加压、加热固化形成的310mm厚的端板。为了保证铁芯结构的紧固，在两端板上又增加了两块26mm厚压板。半铁芯周边有4块26mm厚的结构钢板作为边板。叠片铁芯的工艺是用100t油压对进行冲片叠压和保压，并在压力状态下进行焊接。采用氩弧焊方法将端板、边板、压板与叠片固定成整体。这种结构和工艺方法的最大难点在于要求有小的焊接变形，保证近3m长铁芯的叠装和焊接精度为±0．08mm。为了以后能够在测磁过程中对磁铁等效长度进行调节，降低17台磁铁间的离散性而采用活极头结构，可以在活极头内增加或减少0．5mm的硅钢片来调节磁铁的等效长度。主环二极磁铁的研制过程见图3所示。此外，在活极头上进行削斜可以调节积分场的分布使其达到物理要求，削斜形状根据TOSCA的三维计算来确定和测磁来修改。主环二极磁铁励磁线圈由主线圈和辅助线圈组成，16台二极磁铁主和一台参考铁线圈串联在一起由一台电源供电，每台磁铁的辅助线圈用单独的电源供电。辅助线圈可以提供±150Gs水平方向的闭轨校正场和－450Gs的引出凸轨场。主线圈采用上下两个跑道型线圈。线圈为水冷结构，每个线圈由两饼组成，每饼为10匝，铜线为25×25／ф11的外方内圆T2铜管。因为毛坯材料长度达不到每饼线圈的长度要求，所以允许每饼有一个接头，但在线圈的外侧直线段，并采用内套管结构无熔剂银铜焊以确保无冷却水的渗漏。匝间绝缘用0．025×25聚酰亚胺胶带半叠包一层，用0．14×25玻璃丝带半叠包3层；对地绝缘用0．14×25玻璃丝带半叠包6层，线圈整体进行真空透明环氧浇铸固化处理，透明环氧的好处一是美观，而是能直接观察到线圈内浇铸的环氧缺陷状态。导线绕制前用90％通水孔径的钢珠通过检验，绕制后用60％通水孔径的钢珠通过检验，此外还要进行匝间和对地的电气耐压试验。
而实验环二极磁铁的形状采用改进C型结构，真空室的一面是裸露的，便于安装电荷交换探测器、真空泵和束诊探针等。该C型铁铁芯宽度为1220mm，高度1520mm，长度2270mm，重量约31t。铁芯采用宝钢幅宽1260mm的B50A470材料，由于C型铁的宽度和高度都很大，无法用排片的办法来抵消材料同板差，只有在铁芯叠压过程中对板薄的地方进行插片。在磁铁冲片中，对磁极的平行度和平面度要求很高，并对磁极中心对称度有一定要求，来保证磁铁磁极面的叠装精度。实验环约需每包3t的硅钢片192包，材料需要很多，钢厂不能同时提供所有材料，因此我们分四次进行掺和，即每批48包。与主环二极磁铁一样，铁芯叠装时两端各有一块端板，也是由在叠片上涂以环氧胶，叠片后加压、加热固化形成的340mm厚的端板。为了保证铁芯结构的紧固，在两端板上又增加了两块26mm厚压板。铁芯周边有8块26mm厚的结构钢板作为边板。叠片铁芯的工艺是用300t油压对进行冲片叠压和保压，并在压力状态下进行焊接。采用氩弧焊方法将黏结端板、边板、压板与叠片固定成整体，最底下的两块边板在磁铁吊起反身后焊接。同样要求有小的焊接变形和长时间的敲打来消除内应力，以保证铁芯的±0．08mm的叠装精度。同样，为了以后能够在测磁过程中对磁铁等效长度进行调节。降低16台磁铁间的离散性而采用活极头结构，可以在活极头内增加或减少0．5mm的硅钢片来调节磁铁的等效长度。此外，还在活极头上进行削斜可以调节积分场的分布使其达到物理要求，同样削斜形状根据TOSCA的三维计算来确定和测磁来修改。实验环二极磁铁励磁线圈由主线圈和辅助线圈组成，16台二极磁铁主线圈串联在一起由一台电源供电，每台磁铁的辅助线圈用单独的电源供电。辅助线圈可以提供±200Gs水平方向的闭轨校正场和一450Gs的注入凸轨场。二极磁铁线圈采用上下两个跑道型线圈，线圈为水冷结构，每个线圈由三饼组成，每饼为16匝，铜线为18×18／ф10的外方内圆低氧铜管，低氧铜是指氧含量比无氧铜的小于10ppm指标高，其电性能和机械性能与无氧铜几乎一样，但价格却便宜很多。因为毛坯材料长度达不到每饼线圈的长度要求，可以允许每饼有一个接头，但在线圈的外侧直线段，并采用内套管结构无熔剂银铜焊以确保无冷却水的渗漏。线圈的制造工艺和规范与主环一样。
4结论
磁铁系统是兰州重离子加速器冷却储存环大科学工程中最大的子系统，受经费的限制要百分之百完全立足于国内研制，任务重、项目难，特别是大型冲片弯二极磁铁，整体叠压长度达3m，整体叠压重量达30多吨，并且磁场和精度都要求高，及大孔径高磁场四极透镜在国内都是需要攻克的技术难关。因此，我们在向国内有冲片磁铁经验的兄弟单位学习后，又与国外同行进行了交流，主要引进、消化、吸收、改进了德国GSI的大型弯铁制造技术工艺和俄岁斯BINP的大型线圈真空环氧浇铸技术工艺，与国内制造厂家技术人员一起攻克了这些技术难关，顺利完成了本项目的研制，尽管有个别磁铁个别参量略有超差，但不影响调束运行，总体上满足了兰州重离子加速器冷却储存环大科学工程对磁铁系统的需要和要求。
从2002年陆续完成了磁铁研制、测试、安装和调试，并且投入运行调试。特别是从2005年开始的主环运行调试，实现了剥离注入、多次多圈注入、束流累积、电子冷却和加速等功能，碳能量已到1GeV，超过了设计指标，目前实验环也成功储存和累积束流，远超设计指标，这些都充分说明磁铁系统很好满足了工程要求。
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