王秋良 (中国北京市海淀区中关村北二条六号, Beijing 0, 100190, CN)
HU, Xinning (No. 6 Beiertiao, Zhongguancun Haidian District, Beijing 0, 100190, CN)
胡新宁 (中国北京市海淀区中关村北二条六号, Beijing 0, 100190, CN)
DAI, Yinming (No. 6 Beiertiao, Zhongguancun Haidian District, Beijing 0, 100190, CN)
戴银明 (中国北京市海淀区中关村北二条六号, Beijing 0, 100190, CN)
ZHAO, Baozhi (No. 6 Beiertiao, Zhongguancun Haidian District, Beijing 0, 100190, CN)
赵保志 (中国北京市海淀区中关村北二条六号, Beijing 0, 100190, CN)
YAN, Luguang (No. 6 Beiertiao, Zhongguancun Haidian District, Beijing 0, 100190, CN)
中国科学院电工研究所 (中国北京市海淀区中关村北二条6号, Beijing 0, 100190, CN)
WANG, Qiuliang (No. 6 Beiertiao, Zhongguancun Haidian District, Beijing 0, 100190, CN)
王秋良 (中国北京市海淀区中关村北二条六号, Beijing 0, 100190, CN)
HU, Xinning (No. 6 Beiertiao, Zhongguancun Haidian District, Beijing 0, 100190, CN)
胡新宁 (中国北京市海淀区中关村北二条六号, Beijing 0, 100190, CN)
DAI, Yinming (No. 6 Beiertiao, Zhongguancun Haidian District, Beijing 0, 100190, CN)
戴银明 (中国北京市海淀区中关村北二条六号, Beijing 0, 100190, CN)
ZHAO, Baozhi (No. 6 Beiertiao, Zhongguancun Haidian District, Beijing 0, 100190, CN)
赵保志 (中国北京市海淀区中关村北二条六号, Beijing 0, 100190, CN)
| 权 利 要 求 1、 一种大分离间隙的高磁场超导磁体系统，包括制冷机（1)、 低温容器、超导线圏、 热开关、导冷带 (5)、 电流引线， 制冷机（1) 固定在低温容器法兰 （2) 上面， 制冷机（1) 的一级冷头冷却低 温容器的冷屏 （3) ， 制冷机（1) 的二级冷头冷却低温超导线圏 (16)和高温超导线圏 （17)， 其特征在于， 所述的超导磁体系统具 有水平方向室温孔 (12)和垂直方向室温孔（15); 水平方向室温孔 (12) 的外周为同轴布置的水平方向室温孔外冷屏 （11) ， 水平 方向室温孔外冷屏 (11)用于阻止水平方向室温孔 (12)对低温超导 线圏 （16)和高温超导线圏 （17) 的热辐射； 分离支撑架 (9)将低 温超导线圏 （16) 和高温超导线圏 （17) 分离成两个部分， 以便 超导磁体系统形成整体时可以将二维室温空间包含在超导磁体系 统内部。 2、 按照权利要求 1 所述的大分离间隙的高磁场超导磁体系 统， 其特征在于， 所述的分离支撑架（9) 由隔板（20) 、 用于线 圏之间支撑的不锈钢支撑块（21) 、 铝合金支撑块 （22)组成， 不锈钢支撑块 （21) 和铝合金支撑块 （22)相互嵌套在一起， 两 端用隔板（20) 固定。 3、 按照权利要求 1 所述的大分离间隙的高磁场超导磁体系 统， 其特征在于， 所述的高温超导线圏 （17)位于低温超导线圏 (16) 内部， 低温超导线圏 （16) 和高温超导线圏 （I7) 采用分 开供电的方式。 4、 按照权利要求 1 所述的大分离间隙的高磁场超导磁体系 统， 其特征在于， 在所述的高温超导线圏和低温超导线圏内边缘 的轴线方向上安装加热器， 采用热触发的失超方式。 5、 按照权利要求 1 所述的大分离间隙的高磁场超导磁体系 统，其特征在于，所述的低温超导线圈（16)和高温超导线圏（17) 通过拉杆 （14) 支撑并固定在一起。 6、 按照权利要 5所述的大分离间隙的高磁场超导磁体系统， 其特征在于， 低温超导线圈 （16) 和高温超导线圏 （17)通过支 撑拉杆 (8) 和冷屏 （3) 与低温容器法兰 （2)相连， 将低温超导 线圏 （16) 和高温超导线圏 （17) 整体支撑在低温容器内部。 7、 按照权利要 6所述的大分离间隙的高磁场超导磁体系统， 其特征在于， 热开关 (7)与制冷机 (1)的一级冷头和二级冷头相连， 低温超导线圏 （16) 和高温超导线圏（17)两端通过磁体加固支撑 法兰 (10)固定，磁体加固支撑法兰 (10)与制冷机 (1)的二级冷头通过 导冷带 （5) 连接， 将制冷机 (1)的冷量传给低温超导线圏 （16) 和高温超导线圏 （17) 。 8、 按照权利要 7所述的大分离间隙的高磁场超导磁体系统， 其特征在于， 低温超导线圏 （16) 和高温超导线圏 （17) 分别通 过室温电流引线 (13)和高温超导电流引线 (4)引入电流。 9、 按照权利要 8所述的大分离间隙的高磁场超导磁体系统， 其特征在于， 所述的超导磁体系统通过失超保护二极管 （6) 进行 失超保护。 |
本发明涉及一种高磁场超导磁体系统，特别涉 及一种具有大 分离间隙的高磁场超导磁体系统。 背景技术
随着制冷技术和超导技术的发展， 高磁场传导冷却的超导磁 体因其低温系统结构简单， 不受液氦或其它低温条件的限制， 系 统操作方便， 具有结构紧凑、 轻量化的特点。 传导冷却的超导磁 体系统的关键技术是采用制冷机直接冷却超导 磁体， 打破了超导 磁体必须使用低温液体冷却的传统冷却方法。 随着高温超导线材 技术的发展， Bi系带材在 20-30 K的温度范围即使在较高的磁场下 其电流密度具有 J c =10 4 -10 5 A/cm 2 .在这种情况下用制冷机直接冷 却的高温超导磁体具有较为重要的意义。 在 20 K温区运行的高温 超导磁体能够充分利用 20 K温区的制冷机成熟的技术， 同时又可 充分利用高温超导体的载流能力和超导带材的 高热导、 热容， 因 此高温超导磁体具有较高的稳定性。
高磁场超导磁体具有重要的工业和科学仪器等 方面的应用。 在极端条件下多物理场共同作用于材料的物理 特性研究、 中子散 射、 X射线衍射和同步辐射光源研究物质结构等场 ， 需要具有 一定分离间隙的高磁场超导磁体以提供物质研 究的背景磁场。 这 种超导磁体的电磁结构和普通磁体相比结构较 为复杂， 最显著的 特点是具有超大分离间隙以适合于在磁体横向 方向接近可利用的 磁场区域。 因此， 在科学仪器和其他极端条件的科学研究装置中 具有重要的应用， 从而提供新型科学研究仪器与平台。
在这类超导磁体中， 由于特殊的分离间隙， 超导磁体将承受 高磁场下的超导线圏之间相互作用的较强的电 磁力。当温度为 4 K 时， 采用铌钛 （NbTi ) 和铌三锡 （Nb 3 Sn ) 组合的方法可以产生 18 T的磁场， 当运行温度为 2.2 K, 可以提供中心磁场达到 21 T。 近来， 高电流密度的 Nb 3 Sn超导线材的研制成功， 当运行温度达 到 1.8 K时， 超导磁体可以提供的最大磁场达到 22.3 T。
超大分离间隙的超导磁体为了能够在多维方向 上接近磁场 区域， 沿着磁场方向将超导线圈分离开来， 从而形成一种在超导 磁体的垂直与平行方向可以同时接近的较强磁 场区域。 目前使用 低温超导磁体的分离间隙小于 20mm， 其系统仅能够提供的磁场 最大在 15-17 T。 为了获得工艺简单、 造价低廉的大间隙分离线圏 超导磁体系统， 成为与特种材料处理、 X射线、 中子散射、 其他 高温条件、 高压条件以及相关的科学仪器等结合使用的新 型超导 磁体，将需要一种具有分离间隙超过 100 mm以上的高磁场磁体结 构， 提供超过 10 T以上的磁场。 该磁体使得样品和其他仪器可以 从不同的方向达到较强磁场区域， 从而形成稳定运行的高磁场磁 体系统， 应用在科学仪器以及在极端条件下进行研究的 科学装置 中。 发明内容
本发明的目的是克服现有分离超导磁体分离间 隙不够大的 缺点， 提出一种具有大分离间隙的高磁场超导磁体系 统。 本发明 提出一种使用 NbTi和高温超导体的传导冷却超导磁体， 磁体的高 磁场区域使用高温超导体， 低磁场区域使用 NbTi, 超导磁体系统 运行在 4K温度， 提供 10 T的中心磁场强度。 超导磁体系统采用制 冷机直接冷却的方式， 极大提高超导线圈的利用效率， 减小线圏 之间的距离。
本发明具有大分离间隙的超导磁体系统的制冷 机固定在低 000993
温容器法兰上面， 制冷机的一级冷头冷却低温容器的冷屏， 制冷 机的二级冷头冷却低温超导线圏和高温超导线 圏。 低温超导线圏 和高温超导线圏通过拉杆支撑固定在一起。 低温超导线圈和高温 超导线圏通过支撑拉杆和冷屏与低温容器法兰 相连， 将低温超导 线圏和高温超导线圏整体支撑在低温容器内部 。 热开关与制冷机 的一级冷头和二级冷头相连。 低温超导线圏和高温超导线圏的两 端通过磁体加固支撑法兰固定， 磁体加固支撑法兰与制冷机的二 级冷头通过导冷带连接， 将制冷机的冷量传给低温超导线圏和高 温超导线圏。 低温超导线圏和高温超导线圈分别通过室温电 流引 线和高温超导电流引线引入电流。 超导磁体通过失超保护二极管 进行失超保护。 本发明的超导磁体系统具有水平方向室温孔和 垂 直方向室温孔。 水平方向室温孔外冷屏用于阻止水平方向室温 孔 对低温超导线圏和高温超导线圏的热辐射。 分离支撑架将低温超 导线圏和高温超导线圏分离成两个部分， 以便所述的超导磁体形 成整体时可将二维室温空间包含在超导磁体内 部。
本发明超导磁体由低温超导线圈和高温超导线 圏组成，产生 的磁场在 8-10T的范围， 可以采用内部放置高温超导内插线圏， 外部放置 NbTi超导线圈的结构。 如果中心磁场高于 10 T以上， 本发明将采用高温超导体、 Nb 3 Sn和 NbTi超导线圏组合结构， 采用三种超导线圈分开供电的方式。
本发明的超导磁体线圏被大于 100 mm 的分离间隙分成两 部分。 高温超导线圈位于低温超导线圈内部。 用具有十字交叉密 封结构的十字交叉室温孔管形成二维室温空间 ， 在超导磁体内部 通过十字交叉室温孔管从二维方向直接接近超 导磁体内部的高磁 场区域。
本发明在低温容器内部平行磁场和垂直磁场方 向上放置十 字交叉室温孔管。 为节省垂直分离间隙的空间， 分离支撑架中间 开有圓形结构的孔以便室温管能够直接通过。 当十字交叉室温孔 管装配之后再将分离线圈连接起来。 低温超导线團与高温超导线 圏在水平方向上被分离支撑架分隔成两个部分 ， 组成具有分离间 隙的超导线圈结构。 隔板、 用于线圏之间支撑的不锈钢支撑块、 铝合金支撑块组成分离支撑架。 十字交叉室温孔管从不锈钢支撑 块和铝合金支撑块中心通过， 低温超导线圈与高温超导线圏组成 的两部分分离线圏分别安装在隔板的两端， 分离支撑架采用不锈 钢支撑块和铝合金支撑块相互嵌套在一起、 两端用隔板固定的结 构， 不锈钢支撑块和铝合金支撑块用于支撑超导线 圏， 同时对两 部分超导线圏也通过铝合金支撑块进行热传递 。
本发明超导磁体整体直接安放在低温容器内部 ，通过高温超 导电流引线与常规电流引线连接给线圏超导供 电。 温度控制系统 用于检测超导线圏运行温度状态。 一台或多台制冷机和超导线圏 相连接， 将制冷机的冷量直接传递给超导线圏， 从而达到所要求 的低温。
本发明的超导线圏采用不同的电源供电的方式 ，每一种超导 材料的超导线圏与一台电源连接。超导线圈采 用分段保护的方式。 低温超导线圈保护二极管由两只互为相反极性 的二极管并联组 成， 多个低温超导线圈保护二极管串联在一起。 低温超导线圏保 护二极管的数量取决于超导线圏的耐压的大小 。 为减小高储能密 度的超导线圏在失超时产生的最高温度， 将超导线圏的能量均匀 释放在磁体内部， 在高、 低温超导线圏内边缘的轴线方向上安装 加热器。 当超导线圏局部失超时能量直接传递给加热器 触发整个 超导线圈失超。 可快速将储存的能量均匀幹放， 以便最大限度抑 制超导线圏的温度升高。
本发明采用制冷机直接冷却技术， 可以减小线圏之间的距 离， 提高线圈的利用率， 磁体结构与低温容器结构筒单， 可以实 现系统的稳定运行， 同时采用这项新的技术能够极大减小系统运 行费用， 系统运行和操作， 安装更为方便可靠。 附图说明
图 1是整个超导和低温系统的结构示意图，图中 1 制冷机、 2 低温容器法兰、 3 冷屏、 4 高温超导电流引线、 5 导冷带、 6 失 超保护二极管、 7 热开关、 8 支撑拉杆、 9 分离支撑架、 10 磁 体加固支撑法兰、 11水平方向室温孔外冷屏、 12、 水平方向室温 孔， 13 室温电流引线、 14拉杆、 15 垂直方向室温孔、 16 低温超 导磁体、 17 高温超导磁体、 18十字交叉室温孔管；
图 2是超导磁体用于室温可接近的空间结构示意 ， 图中： 19 十字交叉室温孔管的冷屏；
图 3是超导线圈结构， 图中： 20 隔板、 21 不锈钢支撑块、 22 铝合金支撑块；
图 4是支撑不锈钢块和铝合金支撑块结构示意图
图 5是超导线圏的失超保护电路， 图中： 24 高温超导线圏供 电电路开关、 25 高温超导线圏电源、 26 低温超导线圏供电电路 开关、 27 低温超导线圏电源、 28 低温超导线圏保护二极管、 29 低 温超导线圏取能电阻、 30 高温超导线圏保护二极管、 31 高温超 导线圏取能电阻、 32 失超触发加热器。 具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明 。
如图 1所示， 制冷机 1固定在低温容器法兰 2上面， 制冷机 1的一级冷头冷却低温容器的冷屏 3，制冷机 1的二级冷头冷却低 温超导线圏 16和高温超导线圏 17。低温超导线圏 16和高温超导 线圈 17通过拉杆 14支撑固定在一起。低温超导线圏 16和高温超 导线圏 17通过支撑拉杆 8 和冷屏 3与低温容器法兰 2相连， 将 低温超导线圏 16和高温超导线圏 17整体支撑在低温容器内部。 热开关 7与制冷机 1的一级冷头和二级冷头相连。 低温超导线圏 16和高温超导线圏 17两端通过磁体加固支撑法兰 10固定， 磁体 加固支撑法兰 10与制冷机 1的二级冷头通过导冷带 5连接，将制 冷机 1的冷量传给低温超导线圏 16和高温超导线圏 17。 低温超 导线圏 16和高温超导线圈 17通过室温电流引线 13和高温超导电 流引线 4引入电流。 所述的超导磁体系统通过失超保护二极管 6 进行失超保护。超导磁体系统具有水平方向室 温孔 12和垂直方向 室温孔 15。 在水平方向室温孔 12外周为同轴布置的水平方向室 温孔外冷屏 11， 用于阻止水平方向室温孔 12对低温超导线圈 16 和高温超导线圏 17的热辐射。 分离支撑架 9将低温超导线圏 16 和高温超导线圏 17分离成两个部分，以便超导磁体形成整体时 以将二维室温空间包含在超导磁体内部。
如图 2所示是十字交叉室温孔管结构， 不锈钢的十字交叉室 温孔管 18内包含水平方向室温孔 12和垂直方向室温孔 15， 用于提 供水平和垂直两个方向可以接近强磁场空间。 为了阻止 4K低温和 室温之间的热辐射， 十字交叉室温孔管 18的外周为同轴布置的冷 屏 19， 冷屏 19为铜制作， 冷屏 19外表面包裹铝箔， 可以极大减小 热辐射。
如图 3所示， 低温超导线圈 16与高温超导线圈 17在水平方向 上被分离支撑架 9分隔成两个部分，组成具有分离间隙的超导 圈 结构。 隔板 20、 用于线圈之间支撑的不锈钢支撑块 21、 铝合金支 撑块 22组成分离支撑架 9。 分离支撑架 9采用不锈钢支撑块 21和铝 合金支撑块 22相互嵌套在一起、 两端用隔板 20固定的结构。 十字 交叉室温孔管 18从不锈钢支撑块 21和铝合金支撑块 22中心通过， 低温超导线圈 16与高温超导线圏 17组成的两部分分离线圈分别安 装在隔板 20的两端， 不锈钢支撑块 21和铝合金支撑块 22用于支撑 超导线圈， 同时对两部分超导线圏也通过铝合金支撑块 22进行热 传递。
如图 4所示， 用于支撑分离线圏的支撑块可采用不锈钢支撑 块 21和铝合金支撑块 22。
如图 5所示， 在超导磁体系统的失超保护电路中， 超导线圏 釆用不同的电源供电的方式，低温超导线圏 16由低温超导线圏电 源 27供电， 高温超导线圏 17由高温超导线圏电源 25供电。 高温 超导线圏 17 与高温超导线圏保护电路串联连接。 高温超导线圈 17由高温超导电流引线 4、高温超导线圏供电电路开关 24和高温 超导线圏电源 25组成的电源系统供电。 高温超导线圏 17的失超 保护电路由高温超导线圈保护二极管 30, 高温超导线圏保护二极 管 30用两只互为相反极性的二极管并联组成，高 超导线圏取能 电阻 31以及失超触发加热器 32串联组成。 同样低温超导线圏 16 通过低温超导线圏供电电路开关 26， 由低温超导线圏电源 27供 电。低温超导线圏 16分成 6段，每段分别与低温超导线圏保护二 极管、 低温超导线圏取能电阻串联连接， 形成失超保护电路的单 个回路。 低温超导线圏失超保护电路由 6个单个回路串联组成。 其中低温超导线圏 16 的失超保护电路的一个单个回路由低温超 导线圏保护二极管 28， 低温超导线圏取能电阻 29以及失超触发 加热器 32串联组成。 低温超导线圏保护二极管 28用两只互为相 反极性的二极管并联， 再将多个低温超导线圏保护二极管串联在 一起， 低温超导线圏保护二极管的数量取决于超导线 圈的耐压的 大小。 为减小高储能密度的超导线圏在失超时产生的 最高温度， 将超线圏的能量均匀释放在磁体内部， 在高、 低温超导线圈内边 缘的轴线方向上安装加热器。 当超导线圏局部失超时能量直接传 递给加热器触发整个超导线圏失超。 可快速将储存的能量均匀释 放， 以便最大限度抑制超导线圏的温度升高。