严陆光　王子凯　薛翠玲　高智远　赵保志　南和礼　李会东　罗昆仑
中国科学院电工研究所，北京 100080  
　

1　前言

　　中国科学院电工研究所继胜利研制成功磁流体发电大鞍超导磁体系统之后，再一次承担了磁流体船舶推进用超导磁体系统的研制任务，并于1998年3月顺利通过了各项实验研究项目和额定负荷下的长期稳定运行考核。实验结果表明，该超导磁体系统在额定中心场(5T)下，一次输液可连续稳定运行170小时，其液氦损耗率为0.341L/h，全部达到任务书所规定的技术指标要求。它的圆满成功，不仅为我国磁流体船舶推进的研究奠定了可靠的技术基础，同时也为我国的强磁场装置填补了一项空白，从而为我国强磁场实验研究提供了一整套大室温孔径、操作极为简便而实用的实验装置。
　　本文系统地阐述了该超导磁体系统的研制与实验过程。



2　超导磁体
　　用于超导磁流体船舶推进的超导磁体是一个早在八十年代初为进行超导电缆稳定性实验研究而绕制的一个绝热稳定型充蜡螺管背场。其有效内径为285mm，外径为490mm，高为470mm，如图1所示。锻炼后的中心场达5.76T(835A)，接近其短样性能的90%。



图1　绝热稳定螺管超导磁体
　　为检测已闲置了十多年的该磁体的现有性能，特意将之与超导开关连接在一起，进行了一次复核实验。实验自400A的下限起，一直被励磁到835A。当磁体励磁到724A时，相对应的中心场为5T，超导开关顺利闭合并运行20分钟，确认一切正常后，打开开关继续励磁到750A(5.18T)后，超导开关虽顺利闭合，但未能稳定运行即出现了失超现象。说明超导开关只适用于5.2T以下的场区。此后直接为磁体励磁到835A(5.76T)，正常运行了30分钟后退磁。而后重新给磁体通100A小电流，再次闭合开关，确信磁体及开关部件正常后，停止实验。从而断定该超导磁体依然保持着原有的特性水平；超导开关虽被迫置于较强的磁场区域内，但当磁体在5.2T以下运行时，该开关性能稳定可靠。图2为超导磁体和超导开关的特性实验曲线。



图2　超导磁体与开关特性实验
3　异型卧式低漏热杜瓦容器的结构
　　由于该超导磁体系统将用于船舶推进，其外型尺寸板限定为：外径≤650mm，长度≤1100mm，高度≤1500mm，温孔直径≥200mm。其技术指标为：在额定场(5T)下，系统液氦总损耗率≤0.5L/h，注满液氦后一次连续运行时间≥48小时。为满足总体尺寸的要求，杜瓦内胆直径和长度与正常设计相比均需相应减小。而且当在其内部装配了大量的系统部件与强电回路之后，其液氦储量将进一步减少。图3为该超导磁体系统卧式异型低漏热杜瓦容器的结构图。





图3　卧式异型低漏热杜瓦容器结构简图
　　对此，采取了以下四个具体技术措施：
　　(1)由于磁体直径490mm，外胆直径限定为650mm，为尽可能降低系统的漏热，杜瓦容器必须采用多屏多层绝热方式。即在内胆与外胆间至少需设置两层防辐射屏，内、外胆和各屏之间均包敷由铝箔和纤维织网组成的多层绝热层。且保证相互间不发生任何热短路现象。为此，须将内胆直径压缩到530mm，为尽量增加内胆有效液氦储量，特意使磁体中心线较内胆中心线下沉15mm。
　　在内胆与外胆构成的真空夹层内设置了20K冷屏和与液氮槽相连的77K冷屏，藉以屏蔽和消减外来的辐射热及传导热。
　　胆屏之间平均名义间隙为10mm，每一间隙中至少包扎16层超绝热。
　　(2)为杜绝屏间及绝热层间发生热短路，也为尽可能增加层间间隔，将20K内外屏及77K内屏分别加工成整体圆筒状，在总装时施行整体套装与固定。同时为避免因磁体失超而在整体冷屏上产生涡流，特意沿冷屏周向切割出数条相错间距为30mm，长度为150mm如图4所示的缝隙。多次不同场下的人为失超实验证明，这种整体结构冷屏既可有效地阻止涡流的产生与传播，又可避免冷屏受损。在有效地屏蔽漏热的同时，与分裂式冷屏相比，既简化了冷屏的设计与组装工艺，相对增加了胆、屏与屏、屏之间的有效间隔。



图4　开缝冷屏示意图
　　(3)由于杜瓦容器总高度被限制在1500mm以内，故颈管的有效高度还不足500mm。其结果显然会使颈管部位的温度梯度增大，而导致系统的损耗增加。为避免出现这一局面，我们将内胆颈管改为通称直径为

134mm，壁厚为1.2mm的全波纹管结构(参考图3)，使内颈管的长度等效于1500mm长的直颈管，并在其内设置六组防辐射屏。从而达到有限颈管高度下减少漏热的目的。
　　(4)由于内胆液氦净容积仅为66升，而磁体上部的有效液氦储量只有12升，如按技术指标所要求的0.5L/h液氦损耗率折算，显然不可能达到连续运行48小时。然而考虑到该超导磁体系采用绝热稳定方式的横卧于液氦中的螺旋管磁体，当它的大部露出液面时，处于磁体下部的每一匝绕组仍浸泡在液氦中，假使磁体上部的某一段绕组因某种扰动而生热时，该有限热量会立即通过高导背材迅速传导给液氦，使整个磁体长久保持稳定的超导态，直至绕组全部露出液面时，磁体才会失超。故此决定将内胆直径缩小至530mm(仅比磁体直径大34mm)。
4　磁体系统的漏热
　　该系统产生漏热并导致液氦挥发的主要因素有：①超导线及引出线接头在励磁过程中产生的焦耳热；②总体(包括室温孔)的辐射漏热；③吊杆的传导热；④颈管上盖板的辐射热；⑤颈管传导热；⑥测量回路引出线的传导热；⑦可拔引线励磁过程中的传导热和焦耳热等。它们的漏热分别为：
[font=宋体][size=2]Q1=0.055W;Q2=0.06W;Q3=0.044W;
Q4=0.0284W;Q5=0.0456W;Q6=0.01W[/font][/size]
　　通常，引线的传导热与焦耳热是超导磁体系统中最主要的漏热源。但因该系统采用了可拔引线和超导开关，因此，可拔引线在励磁过程中引起的漏热不再计入系统的总漏热中。故该系统的总漏热为：
[font=宋体][size=2]Q=ΣQi=0.243W[/font][/size]
　　折算成液氦损耗为0.339L/h。
5　超导磁体系统的考核实验及室温下强场物性试验的探索
　　该磁体系统研制完成后，进行了第一次综合实验。但杜瓦容器结霜，实验失败。
　　经仔细检漏，证实内颈管波纹管焊口因经受不住液氮的激烈冲击最终出现了漏点。改换管并重新装配后，再于1998年3月20—26日进行第二次实验考核。磁体的励磁自3.5T(506.8A)起始，依次为4T，4.5T，4.8T，5T(724A)，均顺利实现了闭环运行，并在上述各点场强下进行了推进器的实验研究。为考核超导磁体系统的实用性，再次从2T起始进行重复实验，直至在5T下闭环后拔出引线，进行额定场下的液氦损耗实验。为准确起见，液氦的挥发由流量计和气柜标高两套系统同时进行测量。此时系统的损耗率为0.43L/h，两个小时后其损耗降至0.341L/h，此后每隔一小时测量一次。直至25日，其挥发率一直稳定在0.341L/h；26日晨7∶30，其挥发率降至0.313L/h；一小时后，超导磁体自然失超。根据气柜回气量的记录，折算成系统的平均LHe挥发率为0.340L/h。流量计与气柜二者的指示大致相同，因此将系统的LHe损耗率笼统地定为0.341L/h。图5为超导磁体系统的实测LHe损耗曲线。



图5　系统LHe损耗曲线
　　磁体失超后，共回气4m3，折合5.5L液氦。即当内胆下部仅剩5.5L液氦时磁体才失超。此时的液面高度正好处在下部绕组的最外层。该磁体系统之所以在内胆半径仅比磁体外半径大17mm的情况下，充满液氦后可以连续稳定运行七天七夜，除系统的漏热损耗较小这一主要因素外，也得益于该磁体的绕制方式，绝热方式等因素的综合效果。
　　在超导磁体系统稳定运行后，用强场高斯计测得磁体中心场为5.225T，运行四天后再次测量其中心场，场值仍为5.225T。由此可以断定，该系统在长期运行时，其场强不会发生明显的衰减现象。
　　为摸索室温条件下大口径强场的物性实验研究的可行性，初步体验某些材料和生物体的强场行为，也为了再次考验该系统的长期实用性，后又进行了长达17天5T场下连续闭环运行实验。并在额定场闭环运行状态下两次实施补液，均获得成功，从而完善并掌握了该系统长期运行的全套技术。
　　表1列出了该超导磁体系统的主要特性参数。
表　1
系统外径(mm)
650
系统长度(mm)
1100
系统总高(mm)
1500
温孔直径(mm)
204
磁体净重(kg)
180
低温容器净重(kg)
314
系统总重(kg)
494
系统外径(mm)
650
夹层真空度(Pa)
3.3×10-4
液氮储量(L)
38
液氦储量(L)
66
系统中心场强(T)
5.0(724A)
液氦损耗率(L/h)
0.341
连续运行时间(h)
>170
6　存在的缺陷
　　(1)液氦损耗率偏高
　　对照第4、5两节的数据可知，漏热的计算结果与实测的结果相当吻合。再一次证实了我们有关低温容器漏热的计算方法是准确可靠的。同时也印证了异型低漏热杜瓦容器的技术设计和所采用的一整套工艺是正确合理的。如按本系统的最初计算与设计，总漏热是0.17W，液氦损耗率为0.24L/h。因为最初设计的杜瓦外径为700mm，夹层内除设有20K和77K屏外，还设有8和110K屏。后因船体宽度的要求，杜瓦外胆直径必须限于650mm以内，无奈只好取消上述两层屏，致使漏热与损耗相应增加。从修改设计后的理论计算与实测结果的吻合程度来看，有理由相信，该系统LHe损耗率完全可以降至0.24L/h或更低。
　　(2)液氮损耗偏高
　　系统的液氮损耗实测结果是0.52L/h。假使在夹层内附有110K屏，液氮损耗将降至0.27L/h。
　　(3)可拔引线插座定位高度欠妥
　　可拔引线插座完全可以置于液氦最高点以上的颈管根部附近，使之裸露于液面之上。这样，在励磁时就不至因焦耳热而造成液氦的直接损失。
　　(4)可拔引线漏热过大
　　可拔引线在励磁过程中，其传导热和焦耳热损耗高达系统总漏热的8—9倍，所以对可拔引线的设计应予重视。因此，按气冷引线最佳参数来设计与研制可拔引线仍是必要的，也是必需的。
7　致谢
　　在系统研制和实验过程中，得到电工所四室低温组全组同志和易昌炼、秦洁、高广箴等同志的帮助和支持，在此一并深致谢意。