摘要
中子散射新样品环境开启了新学科研究领域和交叉前沿，且样品参数向着极端化、多条件、多场耦合发展。中子散射超导磁体就是符合这些条件的一种非常重要的实验仪器，但是，该仪器的研制被国外少数公司(Oxford Instruments)垄断。 在国家重点研发计划“中子散射样品环境及相关实验技术”项目支持下;中国科学院强磁场科学中心承担了该项目的关键子课题“中子散射超导磁体系统”。一方面，研制拥有自主知识产权的原位中子散射超导磁体系统，满足凝聚态量子材料等前沿研究;另一方面，打破国外公司技术垄断，为下一代强磁场样品环境研制奠定基础。 本文围绕中子散射超导磁体系统的电磁设计与结构优化展开课题研究，主要有以下内容: 1.对中子散射超导磁体系统做了总体论述。介绍了中子散射超导磁体的特殊性、各主要组成部件、与主磁体相关的重要技术指标以及设计难点。结合本课题具体技术要求，给出了本课题中子散射超导磁体系统的总体设计路线。 2.利用有限元电磁仿真的方法对多个主磁体电磁方案进行了性能分析。本课题磁体在结构参数方面有着较多的限制，需要进行校核评估以得到最优方案。并对选用电磁方案的各线圈电磁力分布、储能与电感进行了求解，为后续的结构设计做准备。 3.提出了该类型超导磁体的一种结构设计方案。对线圈支撑结构、腔体液氦通道和已有的两种磁体支撑结构类型进行了详细介绍，同时提出了第三种磁体支撑结构类型。根据具体参数，设计了本课题主磁体三种支撑结构，并对支撑结构模型的有限元模型进行了简化。 4.提出了一种主磁体支撑结构优化设计流程与算法。研究了主磁体支撑结构模型两种结构失效方式，以许用临界载荷为设计准则，给出了对应的优化数学模型。结合具体参数，构建了本课题主磁体支撑结构电磁一结构耦合有限元模型，并进行了优化计算，给出了优化结果。 5.给出了与主磁体配套的低温容器结构设计方案，在此基础上分别进行了结构热负荷计算与有限元传热模拟分析。对主磁体线圈进行了第一次低温测试。通过实验测试，对应力应变的有限元分析结果中进行了验证，实测结果与理论值偏差较小，满足设计要求。并且，分析了磁感应强度理论值和实验值的偏差，验证了磁场设计的合理性。
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