一種產生旋轉磁場的超導磁體的製作方法

2023-05-29 20:32:31 4

專利名稱：一種產生旋轉磁場的超導磁體的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種超導磁體，特別涉及一種產生旋轉磁場的高磁場超導磁體。
背景技術：
旋轉磁場在材料生長和物理特性測定等方面具有重要的應用。目前高磁場超導磁 體為特殊晶體材料生長、磁光效應、金屬材料的物理特性改變、梯度材料的生長以及用於改 變材料的相關物理屬性等方面提供特定的背景磁場，能夠有效將磁場能量無接觸地傳遞給 物質的分子和原子。並且根據樣品大小的不同來改變磁場的旋轉幅度和空間範圍的大小。 此外旋轉特定方向的磁場也是研究量子器件特性的重要儀器。目前用於特種晶體結構生長 的超導磁體主要通過機械運動部件方法進行磁場旋轉幅度變化的調節，常規的永磁主要採 用旋轉磁體的方式，這種方法對於製作磁體本身的技術難度較小，但是磁場強度較低。採用 鈮鈦(NbTi)和鈮三錫(Nb3Sn)超導體研製的超導磁體可以產生較高的磁場超導磁體，如果 採用旋轉磁體的方法，一方面磁體處於低溫容器內部，旋轉磁體使得低溫系統較為複雜。同 時對於系統的運行成本較高。目前工業和科學儀器使用的高磁場超導磁體系統的發展趨勢 是結構簡單，系統運行費用低廉和操作方便。 產生旋轉磁場的超導磁體應用在極端條件下多物理場共同作用於材料、磁光效應 等物理特性研究等場合，需要旋轉磁場不斷調節改變。這種超導磁體的電磁結構和普通磁 體相比較結構複雜，最顯著的特點是磁體具有一個連續可調的高磁場。在空間產生旋轉磁 場的高磁場超導磁體能夠用於材料生長和材料物理特性研究，應用在科學儀器以及極端條 件研究的科學裝置中。

發明內容
本發明的目的是克服現有的旋轉超導磁體結構複雜的缺點，提出一種新的可提供 任意速度旋轉磁場的超導磁體。本發明的超導磁體系統結構簡單，具有運行費用低廉和方 便的優點。 根據磁場強度大小和磁場可利用的均勻區範圍，本發明提出三種產生旋轉磁場超
導磁體結構。
方案一 本發明超導磁體產生較低的磁場例如5 6T的中心磁場時，所述的超導磁體包 括x軸方向Helmoltz線圈對、y軸方向Helmoltz線圈對和z軸方向Helmoltz線圈對。x 軸方向Helmoltz線圈對通過串聯供電提供x方向的磁場，y軸方向Helmoltz線圈對通過 串聯供電提供y方向的磁場，z軸方向Helmoltz線圈對通過串聯供提供z方向的磁場。x 軸方向Helmoltz線圈對布置於x軸上，y軸方向Helmoltz線圈對布置於y軸上，z軸方向 Helmoltz線圈對布置於z軸上。x軸、y軸和z軸在空間上相互垂直相交於原點。x軸方向 Helmoltz線圈對、y軸方向Helmoltz線圈對和z軸方向Helmoltz線圈對使用鈮鈦超導細 絲線材製成。三對線圈對分別單獨供電，通過計算機控制線圈的電流Ix，Iy和Iz的幅值和電流的方向可以在中心取得所需要的旋轉磁場。構成超導磁體的超導線圈採用NbTi超導 細絲線材，超導線圈使用液氦浸泡冷卻。
方案二 對於高磁場小均勻區旋轉磁場，本發明超導磁體在方案一三對Helmoltz線圈的 基礎上，增加一個z軸方向超導主線圈。主線圈提供較高的背景磁場，其它三對Helmoltz線 圈提供在空間可以變化的磁場。以一定的時序電流變化來改變磁場方向的空間取向和磁場 的強度的幅值大小。z軸方向超導主線圈產生恆定的背景磁場。z軸上布置z軸方向超導主 線圈，在z軸超導主線圈的外部沿z軸布置z軸方向Helmoltz線圈對。x軸方向Helmoltz 線圈對布置於x軸上，y軸方向Helmoltz線圈對布置於y軸上。x軸、y軸和z軸在空間上 相互垂直相交於原點。通過改變所述的三對Helmoltz線圈的電流可以在空間獲得三維方 向可調的旋轉磁場。產生的中心磁場高於10T， z軸方向超導主線圈採用NbTi和Nb3Sn線 圈的組合，其它三對Helmoltz線圈使用NbTi超導線。
方案三 對於磁場高於10T高磁場大均勻區旋轉磁場，本發明超導磁體採用一個z軸方向 超導主線圈產生主磁場，使用兩對跑道或馬鞍形的線圈分布在所述的z軸方向超導主線圈 的外面，產生均勻變化方向的磁場。由於跑道或馬鞍形線圈的有一定的長度，因此，在z軸 方向超導主線圈的方向可以在較大的範圍內獲得均勻的磁場。本發明超導磁體包括z軸方 向超導主線圈，z方向Helmoltz線圈對，x方向跑道形超導線圈對，y方向跑道形超導線圈 對。z軸方向超導主線圈提供較強的背景磁場，z方向Helmoltz線圈對提供z軸方向變化 的磁場，x方向跑道形超導線圈對提供x方向的磁場，y方向跑道形超導線圈對提供y方向 變化的磁場。在z軸上布置z軸方向超導主線圈，在z軸超導主線圈的外部沿z軸布置z 軸方向Helmoltz線圈對。在x軸上布置x方向跑道形超導線圈對，在y軸上布置y方向跑 道形超導線圈對。x軸、y軸和z軸在空間上相互垂直相交於原點。z方向Helmoltz線圈對 和x方向跑道形超導線圈對和y方向跑道形超導線圈對採用鈮鈦超導細絲線材。本發明超 導磁體的中心磁場小於lOT，z軸方向超導主線圈採用鈮鈦超導細絲線材。如果中心磁場大 於10T， z軸方向超導主線圈採用NbTi和Nb3Sn線圈的組合。如果中心磁場大於20T， z軸 方向超導主線圈採用低溫和高溫線圈組合。超導磁體使用制冷機和液氦冷卻。
本發明所述的z軸方向超導主線圈採用低溫超導線圈和高溫超導線圈組合的方 式。其他線圈採用NbTi或高溫超導線圈均可。z軸方向超導主線圈產生較高的中心磁場， 外面放置的跑道形或馬鞍形線圈與另外一對Helmoltz線圈以一定時序改變電流從而得到 旋轉磁場。 本發明超導磁體具有磁場取向連續調節的特點。超導磁體結構簡單緊湊。磁體採 用制冷機直接冷卻的方式。從而極大提高超導線圈的利用效率，減小一些分離間隙的距離。
本發明的超導磁體採用制冷機冷卻液氦或直接冷卻的方式。超導線圈的線材可以 是高溫超導線材，或是Nb3Sn與高溫超導體的組合，或NbTi或Nb3Sn線圈的組合，或三種材 料的組合，以形成更高的磁場。


圖1方案一具有三對Helmoltz線圈組成的超導磁體結構圖，圖中lx軸方向Helmoltz線圈對，2y軸方向Helmoltz線圈對，3z軸方向Helmoltz線圈對； 圖2方案二具有高磁場強度旋轉磁場超導磁體結構圖，圖中4z軸方向超導主線
圈； 圖3方案三具有較大均勻區域的旋轉磁場的超導磁體結構圖，圖中5x方向跑道 形超導線圈對，6y方向跑道形超導線圈對。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施方式
進一步說明本發明。 如圖l所示，本發明方案一為適用於產生較低磁場的超導磁體的結構，x軸方向 Helmoltz線圈對1通過串聯供電提供x方向的磁場，y軸方向Helmoltz線圈對2通過串聯 供電提供y方向的磁場，z軸方向Helmoltz線圈對3通過串聯供提供z方向的磁場。三對 Helmoltz線圈對1、2和3均可以使用極細絲的鈮鈦低溫超導線材製成。三對Helmoltz線 圈通過的電流為I, ，Iy和Iz，三對線圈分別使用獨立的電源供電。通過計算機控制線圈的 電流Ix， Iy和Iz的幅值和電流的方向，可以在超導磁體中心取得所需要的旋轉磁場。x軸方 向Helmoltz線圈對1布置於x軸上，y軸方向Helmoltz線圈對2布置於y軸上，z軸方向 Helmoltz線圈對3布置於z軸上，x軸、y軸和z軸在空間上相互垂直相交於原點。
如圖2所示，為了進一步提高超導磁體系統的背景磁場適合於高磁場應用，同時 適當增加磁場均勻區的範圍。本發明方案二的超導磁體結構為在方案一的基礎上，在z方 向上位於z軸方向Helmoltz線圈對3的中心增加一個z軸方向超導主線圈4， z軸方向超 導主線圈4提供較高的恆定的背景磁場，其它三對Helmoltz線圈提供在空間可以變化的磁 場。z軸上布置z軸方向超導主線圈4，在z軸超導主線圈4的外部沿z軸布置z軸方向 Helmoltz線圈對3。 x軸方向Helmoltz線圈對1布置於x軸上、y軸方向Helmoltz線圈 對2布置於y軸上。x軸、y軸和z軸在空間上相互垂直相交於原點。通過改變所述的三對 Helmoltz線圈的電流在空間獲得三維方向可調的旋轉磁場。z軸方向超導線圈4使用NbTi 和Nb3Sn超導線圈組合，或者使用低溫和高溫超導線材組合以提供更高的磁場強度，其它三 對Helmoltz線圈使用NbTi超導線。 如圖3所示，為了進一步提高線圈的使用效率，同時提供較大均勻區域的範圍，本 發明方案三為一個高磁場大均勻區旋轉磁場的超導磁體結構。z軸方向超導主線圈4提供 較強的背景磁場，該線圈使用NbTi和Nb3Sn線材組合，如果要產生20T以上的磁場，z軸方 向超導主線圈4使用低溫和高溫超導線材組合。z方向Helmoltz線圈對3提供z軸方向 變化的磁場。x方向跑道形超導線圈5對提供x方向的磁場，y方向跑道形超導線圈對6提 供y方向變化的磁場。在z軸上布置z軸方向超導主線圈4，在z軸超導主線圈的外部沿z 軸布置z軸方向Helmoltz線圈對3。在x軸上布置x方向跑道形超導線圈對5，在y軸上 布置y方向跑道形超導線圈對6。 x軸、y軸和z軸在空間上相互垂直相交於原點。三對線 圈分別使用獨立的電源供電。通過計算機控制所述的x、y、z線圈的電流I,，Iy和Iz的幅值 和電流的方向，可以在所述的超導磁體中心取得所需要的旋轉磁場。z軸方向超導主線圈4 由另外一 電源供電提供穩定的背景磁場。
權利要求
一種產生旋轉磁場的超導磁體，其特徵在於所述的超導磁體包括z軸方向超導主線圈(4)，z軸方向Helmoltz線圈對(3)，x方向跑道形超導線圈對(5)，y方向跑道形超導線圈對(6)；z軸方向超導主線圈(4)提供較強的背景磁場，z軸方向Helmoltz線圈對(3)提供z軸方向變化的磁場，x方向跑道形超導線圈對(5)提供x方向的磁場，y方向跑道形超導線圈對(6)提供y方向變化的磁場；在z軸上布置z軸方向超導主線圈(4)，在z軸超導主線圈(4)的外部沿z軸布置z軸方向Helmoltz線圈對(3)；在x軸上布置x方向跑道形超導線圈對(5)，在y軸上布置y方向跑道形超導線圈對(6)；x軸、y軸和z軸在空間上相互垂直相交於原點；z軸方向Helmoltz線圈對(3)和x方向跑道形超導線圈對(5)和y方向跑道形超導線圈對(6)採用鈮鈦超導細絲線材繞制，z軸方向超導主線圈(4)採用鈮鈦超導細絲線材繞制，所述的超導磁體的中心磁場小於10T；如果所述的超導磁體產生的中心磁場大於10T，則z軸方向超導主線圈(4)採用NbTi和Nb3Sn線圈的組合；如果所述的超導磁體的產生中心磁場大於20T，z軸方向超導主線圈(4)採用低溫和高溫超導線圈組合；所述的超導磁體使用制冷機和液氦冷卻。
2. 按照權利要求1所述的一種產生旋轉磁場的超導磁體，其特徵在於，所述的z軸方 向Helmoltz線圈對(3) 、 x方向跑道形超導線圈對(5)和y方向跑道形超導線圈對(6)分 別獨立供電；通過計算機控制線圈的電流Ix， Iy和Iz的幅值和電流的方向，在所述的超導 磁體中心取得所需要的旋轉磁場；z軸方向超導主線圈(4)由一臺電源單獨供電。
3. —種產生旋轉磁場的超導磁體，其特徵在於，若所述的超導磁體所產生的中心磁場 為5-6T，所述的超導磁體包括x軸方向Helmoltz線圈對(1)、 y軸方向Helmoltz線圈對 (2)和z軸方向Helmoltz線圈對(3) ;x軸方向Helmoltz線圈對(1)通過串聯供電提供 x方向的磁場，y軸方向Helmoltz線圈對(2)通過串聯供電提供y方向的磁場，z軸方向 Helmoltz線圈對(3)通過串聯供提供z方向的磁場；x軸方向Helmoltz線圈對(1)、y軸方 向Helmoltz線圈對(2)和z軸方向Helmoltz線圈對(3)使用鈮鈦超導細絲線材製成；所 述的x、 y、 z三個方向的三對Helmoltz線圈對分別獨立供電，通過計算機控制線圈的電流 Ix，Iy和Iz的幅值和電流的方向，在所述的超導磁體中心取得所需要的旋轉磁場；x軸方向 Helmoltz線圈對(1)布置於x軸上、y軸方向Helmoltz線圈對(2)布置於y軸上，z軸方 向Helmoltz線圈對(3)布置於z軸上，x軸、y軸和z軸相互垂直在空間上相交於原點。
4. 一種產生旋轉磁場的超導磁體，其特徵在於，所述的超導磁體採用三對Helmoltz線 圈和一個z軸方向超導主線圈(4)的結構；所述的z軸方向超導主線圈(4)提供恆定的 背景磁場，其它三對Helmoltz線圈提供在空間變化的磁場；z軸上布置z軸方向超導主線 圈(4)，在z軸超導主線圈(4)的外部沿z軸布置z軸方向Helmoltz線圈對(3) ;x軸方向 Helmoltz線圈對(1)布置於x軸上、y軸方向Helmoltz線圈對(2)布置於y軸上；x軸、y 軸和z軸在空間上相互垂直相交於原點；通過改變所述的三對Helmoltz線圈的電流在空間 獲得三維方向可調的旋轉磁場；如所述的超導磁體產生的中心磁場高於10T， z軸方向超導 主線圈(4)採用NbTi和Nb3Sn線圈的組合，其它三對Helmoltz線圈使用NbTi超導線。
全文摘要
一種高磁場大均勻區旋轉磁場的超導磁體結構。z軸方向超導主線圈(4)提供較強的背景磁場，z方向Helmoltz線圈對(3)提供z軸方向變化的磁場。x方向跑道形超導線圈(5)對提供x方向的磁場，y方向跑道形超導線圈對(6)提供y方向變化的磁場。通過計算機控制x、y、z方向上的線圈的電流幅值和電流方向，在超導磁體中心取得所需要的旋轉磁場。該超導磁體系統用在極端條件下多物理場共同作用於材料和磁光效應等物理特性研究場合。
文檔編號H01F41/02GK101794653SQ20101012327
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月12日 優先權日2010年3月12日
發明者戴銀明, 王秋良, 胡新寧 申請人:中國科學院電工研究所