强磁场,和超高压、极低温一起,被列为现代科学实验最重要的三大极端条件,是物理、材料、生物等学科进行科学研究的利器,被人们成为诺贝尔奖的摇篮,是各国科学界加以追求的目标之一。中国在经历了将近10年的设计和建设,于2016年8月建成40 T混合磁体稳态强磁场实验装置,2017年5月全面完成调试和验收,与法国、波兰、日本、德国、美国一起,并列成为拥有建成的稳态强磁场装置的五大国家,具有世界领先水平。混合磁体内包含内水冷磁体和外超导磁体,内水冷磁体提供30 T磁场,外超导磁体提供10 T磁场,混合磁体的中心场强达到40 T。本课题主要对低温系统的建设、联合运行以及混合磁体外超导磁体的降温过程计算和实际调试进行研究,工作内容主要包括:充分了解和学习360 W@4.5K低温系统结构、组成和运行模式,了解外超导磁体结构、基本的降温方法和相关工作要求,以及低温系统与磁体的联合运行方式,了解各子系统的作用和分工,理解对磁体降温的设计方案和要求,为后期的调试工作做好前期准备。根据降温设计的要求,对外超导磁体的降温过程开展讨论。分为两个阶段:第一阶段从300 K降温至80 K,第二阶段从80 K降温至5 K。对于第一阶段降温的数值计算,分别对磁体线圈、内部结构进行合理的抽象和简化,并对整个超导磁体建立了降温模型,通过模型的计算可以获得磁体线圈内各个时间段冷质量和氦气沿着流动方向在降温过程中的温度分布和流动状态,并且满足磁体内部最大温差小于50 K的工程要求。对于第二阶段,将制冷机的膨胀机开启后,降温不再受温差限制,利用膨胀机提供的冷量,将磁体降温至5 K。计算结果表明,磁体内各线圈能够保持同步降温的状态,从300 K降温至5 K的整个过程可以在580个小时内完成。对建成的超导磁体进行降温调试,完成励磁实验。降温的基本流程分为低温系统部分,阀箱部分和磁体部分。调试前,需要将系统内所有管道进行抽空置换,排出内部杂质气体,以防在低温下凝结固化堵塞通道。氦气通过制冷机降温后通入分配阀箱,再由分配阀箱向磁体各通道供气。从300 K降温到80 K的预冷阶段,冷量来源自液氮的消耗,从80 K到5K的降温阶段,开启制冷机内部膨胀机,保持更低温度的冷量供应。两次降温调试的整个过程历时大约23天,预冷阶段在出现最大温差超过50 K之后,及时对降温策略进行调整,保证了磁体不受局部应力过大而损坏。对计算模型中选用的摩擦系数公式进行修正调整,对实验数据进行整理,分析实际调试过程和计算过程的差别对比。在实际的调试过程中,发现系统中存在一些特殊的问题,比如有系统内部的温度传感器和真空规管受磁场影响比较大,在系统励磁中会表现出示数变化,影响系统正常监控或者操作,需要对其进行变化规律的总结和磁屏蔽计算,设计屏蔽罩尺寸和厚度;随着二代高温超导材料的兴起,电流引线的改造升级也近在眼前,而新材料最大的应用困难是焊接工艺,需要对传统的焊接工艺进行改进才能得到更好的应用。本文同时对这些相关的拓展项目开展理论或者实验研究。