杰斐逊实验室MOLLER环形磁体的组装过程

《IEEE Transactions on Applied Superconductivity》：Assembly of the MOLLER Toroidal Magnets at Jefferson Lab

MOLLER实验在JLab使用12 GeV电子束精确测量电子弱相互作用，通过五组七重对称冷却水toroidal磁铁分离M?ller散射和弹性电子-质子散射电子。组装关键步骤包括钻孔、插销、环氧应用、焊接、线圈组装及校准，并应用FMEA风险分析。

　　

摘要：

在托马斯杰斐逊国家加速器设施（JLab）进行的MOLLER实验旨在精确测量电子之间的弱相互作用。该实验利用了12 GeV的电子束，并将持续进行三年。MOLLER的一个关键组成部分是由五个独特形状的水冷环形磁铁组成的系统。这些具有七重对称性的磁铁被设计用来通过分离从液态氢靶中散射出的电子来聚焦粒子。这五个磁铁能够将来自电子（M?ller散射）和质子（弹性电子-质子散射）的散射电子在探测器处分离成近似圆形的环状结构。本文介绍了这五个环形磁铁的组装过程，详细说明了包括销钉插入、环氧树脂涂抹、焊接和钎焊、线圈组装以及对准等关键步骤，所有这些步骤都是为了满足严格的磁铁性能要求。此外，文章还讨论了在建造过程中遇到的挑战，并总结了经验教训，为未来的磁铁开发项目提供了参考。

一、引言

在托马斯杰斐逊国家加速器设施（JLab）进行的MOLLER实验将对电子的弱相互作用进行精确测量[1]。为此，需要组装五个环形磁铁（TM0–TM4）。TM0（上游磁铁）是这五个磁铁中的第一个，它安装在上游（US）外壳中。TM0距离液态氢靶最近，位于定义物理过程的主准直器下游10厘米处。因此，TM0所处的辐射环境非常恶劣，因此其线圈需要比其他四个磁铁具有更强的局部屏蔽能力。TM0的主要特点是其中包含了一层钨屏蔽层，称为“双次反弹屏蔽层”，该屏蔽层贯穿磁铁的轴线。TM1–TM4（下游的四个磁铁）由于散射电子在距离线圈及其支撑结构仅几毫米的范围内运动，面临着空间限制带来的挑战，这给对准和支撑系统带来了困难。TM1–TM4的线圈安装在下游（DS）外壳中，在几何形状和建造策略上具有相似的特点。当这些磁铁按照最终布局安装在完成的谱仪中时，它们所产生的磁场（从起点到终点延伸11米）能够将来自H₂靶中电子（M?ller散射）和质子（弹性电子-质子散射）的散射电子在探测器处分离成近似圆形的环状结构[2]。TM0的成功归功于精心设计的冷却系统以及线圈的精确对准，这些都是决定其性能的关键因素。这些建造过程中包含几个关键步骤，包括钻孔、销钉插入、环氧树脂涂抹、焊接、钎焊、线圈组装和对准。在设计阶段进行了主动的风险分析，评估了建造和运行TM0所需的所有过程，包括使用JLab的故障模式与效应分析（FMEA）工具来识别潜在故障并防止故障发生[3]。