Моделирование и анализ магнитных полей сверхпроводящих магнитов ускорительного комплекса NICA
С использованием модуля Opera 2d рассчитано распределение магнитного поля в железном ярме в центральном сечении корректирующего магнита коллайдера NICA. Для учета влияния краевых эффектов, возникающих в корректирующем магните при данных типах обмоток, были проведены расчеты в 3-х мерной модели. Анализ показал, что при выбранной конструкции магнитов, поле в железном ярме не превышает 1.8 Тл, что достаточно далеко от насыщения.
Объединенный институт ядерных исследований
международная межправительственная организация, созданная в целях
объединения научного и материального потенциала государств-членов для
изучения фундаментальных свойств материи [1]. В своей деятельности
ОИЯИ осуществляет интеграцию фундаментальных теоретических и
экспериментальных исследований с разработкой и применением новейших
технологий и университетским образованием. Основными направлениями
проводимых исследований являются:
● физика элементарных частиц;
● ядерная физика;
● физика конденсированных сред.
Флагманским проектом института в области релятивистской ядерной
физики и физики частиц является создание комплекса сверхпроводящих
ускорителей и накопителя со встречными пучками тяжелых ионов NICA
(Nuclotron-based Ion Collider fAcility). Проект реализуется в рамках
национального проекта Наука.
Главной экспериментальной установкой комплекса NICA является
коллайдер [2]. Он сооружается в отдельном туннеле с дополнительными
павильонами для детекторов и системы электронного охлаждения. Два
кольца коллайдера имеют форму “стадиона” с периметром 503,04 метра. Они
расположены одно над другим и расстояние между их медианными
плоскостями составляет 0,32 м. Формирование орбиты, фокусировка пучков,
сведение и разведение пучков в точках встречи осуществляется
сверхпроводящими дипольными и квадрупольными магнитами. Для
компенсации погрешностей изготовления и установки этих магнитов
используются комбинированные корректирующие магниты, каждый из
которых включает в себя несколько типов мультипольных обмоток. Кольца
коллайдера имеют 136 специальных магнитов-корректоров.
Корректирующий магнит должен воздействовать на пучок,
циркулирующий в одном из колец коллайдера, при этом влияние его
рассеянных полей на пучок во втором кольце должно быть минимально. Для
решения этой задачи набор корректирующих обмоток размещается внутри
железного ярма, толщина которого должна быть достаточной, чтобы
замкнуть в нем обратные поля всех обмоток. Выбор толщины ярма
осуществляется на основе численного моделирования полей, создаваемых
обмотками, и определения величины поля в ярме. При правильном выборе
толщины величина поля в ярме должна быть меньше, чем поле насыщения
материала ярма. Численное моделирование проводится с помощью одного из
специализированных пакетов программ, и осуществляется в два этапа:
оценочный расчет проводится путем решения двухмерной задачи, геометрия
которой соответствует центральному сечению магнита, точный расчет
проводится путем решения трехмерной задачи, по модели, геометрия
которой максимально точно воспроизводит геометрию реального магнита.
В ходе данной работы для корректирующих магнитов коллайдера
NICA:
● построена модель центрального сечения корректирующего магнита;
● получены значения гармоник для центрального сечения;
● построена 3-х мерная модель корректирующего магнита с
использованием обмотки заданной по умолчанию в Opera-3d;
● посчитаны значения гармоник для 3-х мерной модели;
● оптимизирована объемная модель обмотки корректирующего магнита с
20-ти-нодныхкубов;
помощью специальных элементов :
● посчитаны гармоники для оптимизированной 3-х мерной модели
корректора;
● проведен анализ результатов.
Анализ показал, что при использовании в расчетах геометрии обмоток
из стандартного набора Opera 3d количественно величины главных гармоник
для дипольной обмотки различаются в два раза. Данная разница
недопустима, что вызвало необходимость в оптимизации модели. Результаты
расчетов для оптимизированной модели различаются с результатами расчета
поля в центральном сечении на 6%. При выбранной конструкции магнитов,
поле в железном ярме не превышает 1.8 Тл, что достаточно далеко от
насыщения.
Полученные результаты представлены на 23-ей Международной
научной конференции молодых ученых и специалистов ОИЯИ
AYSS-2019 [10].
1. СайтОбъединенногоинститутаядерныхисследований
http://www.jinr.ru/about/
http://nica.jinr.ru/ru/projects/collider.php
2. Коллайдер комплекса NICA.
3. БомД.Квантоваятеория.М.:Наука,Главнаяредакция
физико-математической литературы, 1965г.
4. Мешков И. Н. Электромагнитное поле: Электричество и магнетизм. –
Новосибирск: Наука, Сибирское отд-ние, 1987. – Т. 1.
5. S.Kostromin,O.Kozlov,I.Meshkov,et.al.,COMPENSATIONOF
NONLINEARITIES IN NICA COLLIDER OPTICS, Proceedings of
RuPAC-2010, Protvino, Russia, pp. 35-37.
6. Kozlov O. et al. Collider of the NICA accelerator complex: optical structure
and beam dynamics //Proc. of Russian Particle Accelerator Conf., St.
Petersburg, 2012. pp. 278-280.
7. O. Kozlov, A. Butenko, S. Kostromin, et. al., CORRECTION OF THE
MAGNETIC FIELD IN THE NICA COLLIDER, Proc. of RUPAC2018,
Protvino, Russia, pp. 149-151.
8. Khodzhibagiyan H. G. et al. Superconducting magnets for the NICA
acceleratorcollidercomplex//IEEETransactionsonApplied
Superconductivity, 2013, Т. 24, №. 3, pp. 1-4.
9. Балдин А.М., Агапов Н.Н., Аверичев С.А. и др. Сверхпроводящие
мультипольные корректирующие магниты для ускорителя нуклотрон.
Препринт ОИЯИ, Дубна: 1995.
10. Костромин С.А., Козлов О.С. Техническое задание на разработку и
создание мультипольных корректирующих магнитов коллайдера NICA.
Дубна: 2018.
11. A. Morgillo, J. Escallier, G. Ganetis, et. al., SUPERCONDUCTING 8 CM
CORRECTOR MAGNETS FOR THE RELATIVISTIC HEAVY ION
COLLIDER (RHIC), Proceedings of sixteenth biennial Particle Accelerator
Conference, May 1–5, 1995, Dallas, USA, p. 1393
https://operafea.com
12. Сайт Opera Simulation Software.
13. Opera Manager User Guide/ Под ред. Cobham Technical Services Network
House. Kidlington:Langford Locks,2016.
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (188 отзывов)
5 (8 отзывов)
4.8 (105 отзывов)
0 (13 отзывов)
4.8 (13 отзывов)
4.5 (80 отзывов)
5 (21 отзыв)
4.8 (37 отзывов)
4.9 (5 отзывов)
