Соленоид охлаждения Российский патент 2025 года по МПК H01F6/04 

Изобретение относится к электротехнике, к электромагнитам, создающим однородные магнитные поля, и может быть использовано в экспериментальной физике.

Соленоид охлаждения (средний участок протяженного соленоида, принадлежащий системе электронного охлаждения и коллайдеру) является одним из ключевых мест коллайдера, как с физической позиции, потому что именно на этом участке проходит процесс электронного охлаждения, так и с инженерной, так как является совокупностью различных систем: магнитной, корректирующей, вакуумной, прогрева, диагностики пучка, питания, жидкостного охлаждения и электромагнитной защиты.

Поэтому конструкция соленоида должна обеспечить не только качество продольных полей установки, совмещение ионного и электронного пучков, но и возможность организации (сборки и размещения), обслуживания (в том числе и ремонта) компонентов всех систем. Следовательно, проектирование подобных устройств – это комплексная задача, которая требует принять во внимание не только организацию выше упомянутых систем в устройстве, но и учёт места его размещения и транспортировки.

Из уровня техники известны установки электронного охлаждения, работавшие в протон-антипротонном коллайдере FERMILAB (США) на энергии 4,3 МэВ [1] или тяжелоионного коллайдера RHIC (BNL, США) на энергии 54 МэВ [2]. Электронное охлаждение FERMILAB охлаждает только один из пучков – антипротонный. А электронное охлаждение в RHIC позволяет проводить охлаждение двух пучков только с перепуском электронного пучка из одного канала охлаждения в другой. Более того, на электронном охлаждении RHIC используется высокочастотный линейный ускоритель, производящий электронные пучки сгустками (банчами) со средним током до 20 мА. Перечисленные особенности делают эти установки совершенно отличными от электронного охлаждения коллайдера с непрерывным пучком энергией электронов до 2,5 МэВ и током электронов 1 А (например, NICA) и охлаждающим независимо ионные пучки участвующее во встречных столкновениях.

В качестве прототипа к заявленному изобретению выбран соленоид охлаждения (далее соленоид), описанный в «Конструкция центрального соленоида высоковольтной системы электронного охлаждения для коллайдера NICA» (Кремнев Н.С. и др.) 2019 г. Соленоид включает магнитопровод, основную обмотку, опору основной обмотки, узлы юстировки основных обмоток, корректирующие сборки. Недостатки данного соленоида заключаются в том, что:

1. Корпус имеет значительные отверстия в крышках, предназначенные для прохождения выводов электрических обмоток, которые, в свою очередь, создают влияние на прямолинейность силовых линий продольного поля, вследствие чего поле локально «вываливается», снижая общее качество продольного поля соленоида;

2. Не указана организация крепления крышек соленоида, если плоскость разъема проходит по оси вращения обмотки;

3. Неоднозначное расположение корректоров поля внутри корпуса соленоида. Например, расположение верхней правой обмотки вертикального корректора не позволяет произвести снятия крышки корпуса (перекрывается выводами основной обмотки в горизонтальной плоскости) без её снятия, что делает невозможным снятие крышки в аварийном случае при эксплуатации;

4. В конструкции корпуса не предусмотрены крепления вакуумных камер, в виду чего камера, опертая на обмотки, не позволит осуществить возможность их регулировки;

5. Чередование обмоток продольного поля (с левосторонней и правосторонней намоткой) при разбивке участка на 6 секции требует изготовления различных по порядку обмоток секций, что увеличивает трудоемкость изготовления подобных устройств;

6. Электрическая коммутация обмоток коррекции, расположенных на средней (неснимаемой) части корпуса секции, должна быть выполнена либо в зазорах между обмоток продольного поля, что сильно уменьшает диапазон их юстировки и создает крайне нежелательные локальные возмущения магнитного поля, либо должна быть выполнена по наружной части корпуса, что потребует разборки коммутации при установке/снятии крышек корпуса.

7. В конструкции не предусмотрена возможность контроля положения секций с отстроенным (по результатам магнитных измерений) продольным полем после установки вакуумной камеры, при том что отсутствует техническая возможность провести эти измерения в секциях с установленной вакуумной камерой.

Техническое решение заявленного изобретения направлено на устранение выше изложенных недостатков. Поставленная задача выполняется с помощью следующих решений, привнесенных в конструкцию корпуса соленоида:

1. Отверстия в крышках корпуса соленоида закрываются накладками (3, фиг.1.1-1.2), выполненными из двух половинок, что позволяет устанавливать их после установки крышек при установленных обмотках продольного поля, не прибегая к деформированию коммутационных выводов обмоток;

2. Разъем корпуса по оси обмоток продольного поля обеспечивается П-образной конструкцией крышек (2, фиг.1.1, 1.2) со шпильками (6, фиг.1.1, 1.3), располагаемыми в отверстиях внутри вертикальных стенок крышек;

3. Однозначность установки крышек соленоида обеспечивается установкой ловителей (5, фиг.1.1, 1.3), расположенных на неснимаемой части корпуса (основании корпуса (1 фиг.1.1, 1.3));

4. Крепление верхнего правого корректора (11, фиг. 2) выполнено таким образом, что его положение может быть изменено с позиции 11-1 (фиг. 2) в позицию 11-2 (фиг. 2) на собранном изделии за счет ослабления удерживающих винтов и сдвижки корректора вдоль пазов (фиг. 1.2, вид сверху), изготовленных в крышке корпуса, в положение, не препятствующее снятию/установке крышки;

5. В крайние секции соленоида добавлены экранирующие торцевые пластины (9, фиг.3), формирующие необходимый градиент поля на переходе из согласующей секции в соленоид охлаждения;

6. В конструкции каждой секции предусмотрены поддерживающие пластины вакуумной камеры (14, фиг. 2), выполненные из материала с низким коэффициентом трения скольжения, которые не препятствуют её термическим деформациям;

7. Универсальная конструкция внутренней секции соленоида охлаждения (и крайней секции с торцевой стенкой) позволяет добиться необходимого чередования обмоток только поворотом универсального корпуса относительно его горизонтальной поперечной оси (фиг. 4) при использовании универсальной конструкции опор (4, фиг. 1.1-1.3). При этом все места (A, В, C, фиг.1.2 (вид сзади)), необходимые для размещения сопутствующих узлов, цепей питания и охлаждения не изменяются, что существенно сокращает трудоемкость изготовления секций соленоида;

8. Данная универсальная конструкция корпуса может быть изготовлена в других типоразмерах, как по числу задействованных обмоток продольного поля, так и по их размерам, а длины соленоидов, полученных с использованием таких секций, могут быть различными, определяемыми числом и конфигурацией универсальной конструкции корпуса.

9. В средней стенке корпуса соленоида выполнены пазы, позволяющие проложить по 2-3 коммутирующих проводника и обеспечить необходимую коммутацию обмоток коррекции в этой части соленоида. В конструкции предусмотрены крышки, закрывающие пазы (8, фиг. 1.3), препятствующие влиянию магнитного поля проводников на продольное поле соленоида.

10. Ввиду того что механизм юстировки положения обмоток продольного поля необходимо оградить от внешних механических воздействий, в конструкции предусмотрены защитные кожухи (23, фиг. 2), выполненные из прозрачного полимера, что позволяет визуально контролировать сохранность юстировочных узлов в процессе эксплуатации установки.

11. Для контроля за положением секций соленоида, необходимым при проведении заключительной установки секций (после установки вакуумной камеры) с правильно настроенным продольным полем, на боковых стенках корпуса добавлены установочные отверстия геодезических отражателей (фиг 1.1) для измерения положения секций при помощи лазерного трекера. Следовательно, при установке секций в то же взаимное расположение, при котором проводилось измерение магнитного поля и его настройка, конфигурация силовых линий поля после установки вакуумной камеры будет сохранена.

Конструкция корпуса соленоида поясняется фиг.1.1, где 1 – основание корпуса, 2 – крышка корпуса, 3 – накладка, 4 – опора, 5 – ловитель, 6 – шпилька крепления крышки корпуса, 7 – контур обмотки продольного поля. На фиг.1.2 A (17, фиг. 2) – место крепления пластин промежуточной электрической коммутации корректоров, B (22, фиг. 2) – места крепления коллекторов системы гидравлического охлаждения обмоток продольного поля, С (15, фиг. 2) – места расположения клеммных колодок питания обмоток продольного поля.

Конструкция соленоида поясняется фиг.2, где 1-6 – части корпуса секции соленоида, 10 – обмотка продольного поля c примыкающими опорным (10-1) и юстировочным (10-2) узлами, 11 и 12 – корректор вертикального поля, 13 – корректор горизонтального поля, 14 – поддерживающая пластина вакуумной камеры, 15 – клеммная колодка питания обмоток продольного поля, 16 – пластина размещения колодок питания и промежуточной коммутации корректоров, 17 и 18 – пластины размещения промежуточной коммутации корректоров, 19, 20 и 21 – электроизоляционные защитные кожухи, 22 – коллектор гидравлический, 23 – защитный кожух юстировочных узлов обмоток продольного поля соленоида.

Отличия в конструкции внутренних и внешних секций соленоида охлаждения поясняются фиг.3, где 1-4 (соответствуют обозначениям фиг.1) основание корпуса, крышка корпуса, накладка, опора, 9 – торцевая пластина.

Общая схема соединения секций соленоида поясняется фиг.4, секции соединяются последовательно, по электрическому питанию обмоток продольного поля, место ввода силовой линии от внешнего источника питания обозначено символом «И».

Предложенный соленоид работает следующим образом: основные обмотки, коммутируемые в соответствии с фиг.4, подсоединяют к внешнему источнику силового электрического питания током 220 А, создавая однородное продольное магнитное поле внутри окна обмоток величиной в 2 кГс (B=2 кГс). Горизонтальные и вертикальные корректоры, питающиеся от независимых источников питания с током 6 А, позволяют корректировать углы движения пучка электронов внутри секций, добиваясь оптимального совмещения ионного и электронного пучков, необходимого для осуществления процесса электронного охлаждения. Предложенное изобретение позволяет создавать однородное продольное магнитное поле внутри окна обмоток с высокой однородностью, до уровня не хуже 10^-4 (ΔB_⊥/B=θ<10^-4, где ΔB_⊥ - среднеквадратичная величина отклонения силовых линий от прямолинейности в поперечном направлении), которого добиваются юстировкой положения обмоток продольного поля.

1. Fermilab 4.3-MeV Electron Cooler / Sergei Nagaitsev, Lionel Prost and Alexander Shemyakin – Текст : электронный // Journal of Instrumentation. – 2015. – Vol. 10. – P. 1-8 – URL: https://lss.fnal.gov/archive/2014/pub/fermilab-pub-14-486-ad.pdf (дата обращения: 27.06.2024).

2. Electron cooling of colliding ion beams in RHIC / A. V. Fedotov, W. Fischer, X. Gu, D. Kayran, J. Kewisch, M. Minty, V. Schoefer, S. Seletskiy, H. Zhao – Текст : электронный // 13th Workshop on Beam Cooling and Related Topics COOL2021 (Novosibirsk, Russia, 1-5 November 2021). - P. 42-47. – URL: https://inspirehep.net/files/f95b47a4d8e68a8f9c5a708a154db843 (дата обращения: 27.06.2024).

Изобретение относится к соленоиду охлаждения и может использоваться в областях электротехники и экспериментальной физики, где требуется создание однородных магнитных полей. Техническим результатом является совмещение ионного и электронного пучков, повышение однородности продольного магнитного поля, а также повышение эффективности настройки и контроля положения секций соленоида. Соленоид включает корпус, вакуумную камеру, секции соленоида, содержащие обмотки, узлы юстировки положения обмоток и сборки обмоток корректоров. Корпус выполнен с возможностью поворота относительно его горизонтальной поперечной оси. Кроме того, корпус выполнен разъемным по оси обмоток продольного поля за счет П-образной конструкции крышек со шпильками, располагаемыми в отверстиях внутри вертикальных стенок крышек. В крышках корпуса соленоида выполнены отверстия, закрываемые накладками, состоящими из двух половинок. В средней стенке корпуса выполнены закрытые крышками пазы, а на боковых стенках корпуса выполнены установочные отверстия геодезических отражателей. На неснимаемой части корпуса установлены ловители, обеспечивающие однозначность установки крышек соленоида. Крепление верхнего правого корректора выполнено с возможностью изменения положения корректора на собранном изделии за счет ослабления удерживающих винтов и сдвижки корректора вдоль пазов в крышке корпуса, в крайние секции соленоида установлены экранирующие торцевые пластины, причем защитные кожухи механизма юстировки положения обмоток продольного поля изготовлены из прозрачного полимера. В конструкции каждой секции предусмотрены поддерживающие пластины вакуумной камеры, не препятствующие её термическим деформациям. 4 ил.

Соленоид охлаждения, включающий корпус, содержащий боковые и среднюю стенки и крышки с отверстиями, секции соленоида, содержащие обмотки, в том числе основные обмотки, опоры основных обмоток, узлы юстировки положения обмоток, сборки обмоток корректоров, а также вакуумную камеру, отличающийся тем, что отверстия в крышках корпуса соленоида закрываются накладками, выполненными из двух половинок; корпус выполнен разъемным по оси обмоток продольного поля за счет П-образной конструкции крышек со шпильками, располагаемыми в отверстиях внутри вертикальных стенок крышек; на неснимаемой части корпуса установлены ловители, конструкция которых обеспечивает однозначность установки крышек соленоида; крепление верхнего правого корректора выполнено с возможностью изменения положения корректора на собранном изделии за счет ослабления удерживающих винтов и сдвижки корректора вдоль пазов в крышке корпуса; в крайние секции соленоида установлены экранирующие торцевые пластины; в конструкции каждой секции предусмотрены поддерживающие пластины вакуумной камеры, выполненные таким образом, что не препятствуют её термическим деформациям; корпус выполнен с возможностью поворота относительно его горизонтальной поперечной оси; в средней стенке корпуса выполнены закрытые крышками пазы; защитные кожухи механизма юстировки положения обмоток продольного поля изготовлены из прозрачного полимера; на боковых стенках корпуса выполнены установочные отверстия геодезических отражателей.