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由中国科学院近代物理研究所承担的“十二五”规划重大科技基础设施─强流重离子加速器装置和国家自然科学基金委重大科学仪器项目─低能量强流离子加速器装置都将采用运行于45 GHz的世界首台第四代电子回旋共振离子源FECR。该装置将全面挑战现有铌三锡超导磁体技术的瓶颈。本文围绕FECR超导离子源磁体开展了铌三锡高场磁体预应力结构设计及相关的实验研究工作,主要内容包括:FECR超导离子源磁体线圈全部采用铌三锡超导材料制作、这一超导材料临界性能对应力敏感,加之磁体中六极线圈和螺线管线圈之间的应力不平衡分布,导致磁体机械结构设计面临极大挑战。为了验证FECR超导离子源磁体结构设计的合理性和仿真结果的可信性,为全尺寸真机的研制奠定技术基础,项目组设计了能够一定程度上反应离子源磁体机械结构的半长度样机。本文首次基于ANSYS参数化设计编程(APDL)并联合电磁场分析软件OPERA 3D对FECR磁体半长度样机进行预应力结构分析,给出了磁体在室温组装、冷却降温和加电励磁时的应力分布和变化情况,同时优化出了室温预应力大小,能够为磁体样机装配提供预应力参考。为了测试FECR磁体样机中基于单股线的铌三锡超导六极线圈经过绕制、热处理、环氧浸渍等一系列工艺过程后,低温电磁性能是否达到设计指标,采用Bladder&Key预应力技术和铝合金壳基结构,创新的设计了能够一定程度上模拟六极磁场及其应力分布的镜像磁场约束结构(Mirror模型)。利用APDL参数化编程,依据自底向上的建模方法建立了铌三锡六极线圈的二维电磁-结构耦合有限元Mirror模型,并基于接触分析、单元生死技术以及多载荷步顺序加载方式开展了Mirror模型从室温预紧、冷却预紧及加电励磁的二维预应力结构耦合设计。进一步,将OPERA 3D软件和ANSYS软件相结合,对铌三锡线圈的Mirror模型进行了三维预应力结构设计。在此基础上,结合实际加工制造经验,对Mirror模型开展了工程设计。由于Mirror模型在室温装配过程中采用Bladder&Key技术对六极线圈施加预应力,为了能够模拟从室温装配到冷却降温的操作流程、验证ANSYS有限元仿真方法的可信性,依据六极线圈外形尺寸加工了一个模拟线圈。把该模拟线圈放入Mirror模型中,利用ANSYS软件对其进行预应力结构分析。进一步,基于仿真计算给出的室温预应力大小,同时借助“低温电阻应变片+补偿电路+无线应变仪”技术,开展了Mirror模型的室温预紧和77 K冷却预紧实验,并与有限元模拟结果进行对比分析。实验结果表明:铝壳和模拟线圈中心处的应变与ANSYS仿真计算结果基本一致,最大误差均在10%以内。验证了结构设计的合理性和仿真结果的可信性。详细描述单体半长度铌三锡六极线圈的制作工艺流程,并结合实际六极线圈外形尺寸制作公差,基于二维有限元Mirror模型,首次分析和评估了公差对Mirror模型中六极线圈预应力施加的影响。进一步,依据半长度铌三锡六极线圈Mirror模型预应力结构设计预测出的室温预应力值,基于全仿真指导和二分之一桥路应力-应变测量系统,成功对Mirror模型分别进行了基于Bladder&Key室温径向和基于液压千斤顶室温轴向的精准预紧装配,并开展了磁体的4.2 K冷却预紧和加电励磁实验。实验结果表明:在没有失超的前提下,铌三锡六极线圈一次性加电到设计电流800 A,为国际首例;铝壳和上下拉杆的应变与ANSYS仿真计算结果吻合良好。验证了采用Bladder&Key精确预应力施加技术和铝合金壳层结构,基于原理性设计铌三锡六极线圈Mirror模型的合理性、可靠性以及ANSYS仿真结果的可信性。同时为测试FECR超导离子源磁体中铌三锡六极线圈的全尺寸Mirror模型的设计奠定和积累了重要基础。