具有大分离间隙的高磁场超导磁体系统

摘要

一种大分离间隙的高磁场超导磁体系统，其超导线圈包括低温超导线圈(16)和高温超导线圈(17)。超导线圈通过支撑拉杆(8)与冷屏(3)和低温容器法兰(2)相连，将超导线圈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，通过导冷带(5)将制冷机的二级冷头与低温超导线圈和高温超导线圈两端的磁体加固支撑法兰(10)连接。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)。水平方向室温孔外冷屏(11)用于阻止水平方向室温孔(12)对超导线圈的热辐射。分离支撑架(9)将低温超导线圈(16)和高温超导线圈(17)分离成两部分，使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。

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、超导线圈、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圈(16)和高温超导线圈(17)，其特征在于，所述的低温超导线圈(16)和高温超导线圈(17)通过拉杆(14)支撑并固定在一起；低温超导线圈(16)和高温超导线圈(17)通过支撑拉杆(8)和冷屏(3)与低温容器法兰(2)相连，将低温超导线圈(16)和高温超导线圈(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，低温超导线圈(16)和高温超导线圈(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圈(16)和高温超导线圈(17)；低温超导线圈(16)和高温超导线圈(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；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；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)对低温超导线圈(16)和高温超导线圈(17)的热辐射；分离支撑架(9)将低温超导线圈(16)和高温超导线圈(17)分离成两个部分，以便超导磁体系统形成整体时可以将水平方向室温孔(12)和垂直方向室温孔(15)构成的二维室温空间包含在超导磁体系统内部；所述的分离支撑架(9)由隔板(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，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；所述的十字交叉室温孔管(18)放置在低温容器内部平行磁场和垂直磁场方向上，分离支撑架(9)中间开有圆形结构的孔，十字交叉室温孔管(18)从所述的圆孔中的不锈钢支撑块(21)和铝合金支撑块(22)中心通过；通过十字交叉室温孔管(18)从水平方向室温孔(12)和垂直方向室温孔(15)的二维方向直接接近超导磁体内部的高磁场区域。

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，所述的高温超导线圈(17)位于低温超导线圈(16)内部，低温超导线圈(16)和高温超导线圈(17)采用分开供电的方式。

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，在所述的高温超导线圈和低温超导线圈内边缘的轴线方向上安装加热器，采用热触发的失超方式。

说明书

具有大分离间隙的高磁场超导磁体系统

技术领域

[0001] 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

[0002] 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20-30K的4 5 2
温度范围即使在较高的磁场下其电流密度具有JC＝10-10A/cm。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20K温区运行的高温超导磁体能够充分利用20K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。

[0003] 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合，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。

[0004] 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圈之间相互作用的较强的电磁力。当温度为4K时，采用铌钛(NbTi)和铌三锡(Nb3Sn)组合的方法可以产生18T的磁场，当运行温度为2.2K，可以提供中心磁场达到21T。近来，高电流密度的Nb3Sn超导线材的研制成功，当运行温度达到1.8K时，超导磁体可以提供的最大磁场达到22.3T。

[0005] 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15-17T。为了获得工艺简单、造价低廉的大间隙分离线圈超导磁体系统，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100mm以上的高磁场磁体结构，提供超过10T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

[0006] 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10T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，减小线圈之间的距离。

[0007] 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圈和高温超导线圈。低温超导线圈和高温超导线圈通过拉杆支撑固定在一起。低温超导线圈和高温超导线圈通过支撑拉杆和冷屏与低温容器法兰相连，将低温超导线圈和高温超导线圈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。低温超导线圈和高温超导线圈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圈和高温超导线圈。低温超导线圈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圈和高温超导线圈的热辐射。分离支撑架将低温超导线圈和高温超导线圈分离成两个部分，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。

[0008] 本发明超导磁体由低温超导线圈和高温超导线圈组成，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圈，外部放置NbTi超导线圈的结构。如果中心磁场高于10T以上，本发明将采用高温超导体、Nb3Sn和NbTi超导线圈组合结构，采用三种超导线圈分开供电的方式。

[0009] 本发明的超导磁体线圈被大于100mm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。

[0010] 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圆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。低温超导线圈与高温超导线圈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、用于线圈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圈组成的两部分分离线圈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圈，同时对两部分超导线圈也通过铝合金支撑块进行热传递。

[0011] 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圈超导供电。温度控制系统用于检测超导线圈运行温度状态。一台或多台制冷机和超导线圈相连接，将制冷机的冷量直接传递给超导线圈，从而达到所要求的低温。

[0012] 本发明的超导线圈采用不同的电源供电的方式，每一种超导材料的超导线圈与一台电源连接。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。低温超导线圈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圈在失超时产生的最高温度，将超线圈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。当超导线圈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释放，以便最大限度抑制超导线圈的温度升高。

[0013] 本发明采用制冷机直接冷却技术，可以减小线圈之间的距离，提高线圈的利用率，磁体结构与低温容器结构简单，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

[0014] 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；

[0015] 图2是超导磁体用于室温可接近的空间结构示意图，图中：19十字交叉室温孔管的冷屏；

[0016] 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；

[0017] 图4是支撑不锈钢块和铝合金支撑块结构示意图；

[0018] 图5是超导线圈的失超保护电路，图中：24高温超导线圈供电电路开关、25高温超导线圈电源、26低温超导线圈供电电路开关、27低温超导线圈电源、28低温超导线圈保护二极管、29低温超导线圈取能电阻、30高温超导线圈保护二极管、31高温超导线圈取能电阻、32失超触发加热器。

具体实施方式

[0019] 下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

[0020] 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圈16和高温超导线圈17。低温超导线圈16和高温超导线圈17通过拉杆14支撑固定在一起。低温超导线圈16和高温超导线圈17通过支撑拉杆8和冷屏3与低温容器法兰2相连，将低温超导线圈16和高温超导线圈
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。低温超导线圈16和高温超导线圈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圈16和高温超导线圈17。低温超导线圈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和高温超导线圈
17的热辐射。分离支撑架9将低温超导线圈16和高温超导线圈17分离成两个部分，以便超导磁体形成整体时可以将二维室温空间包含在超导磁体内部。

[0021] 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。

[0022] 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线圈结构。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与高温超导线圈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圈也通过铝合金支撑块22进行热传递。

[0023] 如图4所示，用于支撑分离线圈的支撑块可采用不锈钢支撑块21和铝合金支撑块22。

[0024] 如图5所示，在超导磁体系统的失超保护电路中，超导线圈采用不同的电源供电的方式，低温超导线圈16由低温超导线圈电源27供电，高温超导线圈17由高温超导线圈电源25供电。高温超导线圈17与高温超导线圈保护电路串联连接。高温超导线圈17由高温超导电流引线4、高温超导线圈供电电路开关24和高温超导线圈电源25组成的电源系统供电。高温超导线圈17的失超保护电路由高温超导线圈保护二极管30，高温超导线圈保护二极管30用两只互为相反极性的二极管并联组成，高温超导线圈取能电阻31以及失超触发加热器32串联组成。同样低温超导线圈16通过低温超导线圈供电电路开关26，由低温超导线圈电源27供电。低温超导线圈16分成6段，每段分别与低温超导线圈保护二极管、低温超导线圈取能电阻串联连接，形成失超保护电路的单个回路。低温超导线圈失超保护电路由6个单个回路串联组成。其中低温超导线圈16的失超保护电路的一个单个回路由低温超导线圈保护二极管28，低温超导线圈取能电阻29以及失超触发加热器32串联组成。低温超导线圈保护二极管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圈保护二极管串联在一起，低温超导线圈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圈在失超时产生的最高温度，将超线圈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。当超导线圈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释放，以便最大限度抑制超导线圈的温度升高。