CN101552077A - 一种用于产生高磁场高均匀度的超导磁体系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于产生高磁场高均匀度的超导磁体系统，由主线圈、外围线圈、失超保护电路、失超加热器和电源组成。主线圈由多个同心螺管线圈按径向从内到外分层依次安装而成。主线圈外层的外围线圈沿径向从内至外依次为反绕线圈一(13)、反绕线圈二(14)、补偿六次谐波分量的超导线圈一(15)、补偿六次谐波分量的超导线圈二(16)、屏蔽环(17)和屏蔽线圈(18)。失超保护电路的每个回路由对应的保护电阻和二极管与每个线圈串联形成，每个线圈对应安装一个失超加热器。本发明主线圈中相互接触的超导线圈的导线分级线径之差小于0.05mm。本发明使用反绕方法补偿磁场的高次谐波分量，使得在50mm直径的工作空间内达到0.15ppm的均匀度。

Description

一种用于产生高磁场高均匀度的超导磁体系统
技术领域
本发明涉及一种用于科学仪器和特殊物理实验装置的高磁场高均匀度超导磁体系统，特别涉及一种用于400MHz超导核磁共振谱仪磁体系统。
背景技术
由于一些特殊物理物理实验和科学仪器需要能够产生高磁场高均匀度的超导磁体系统以研究物质结构，特别是对蛋白质、基因工程等的大分子结构和成分的研究。现代物质科学的研究也需要较高的磁场。一般强磁场的磁感应强度为几个特斯拉以上的数量级。与常规的低磁场作用于宏观的物体不同的是，强磁场能够产生极端条件，从而对材料的组织和性能产生巨大的影响。外加一个定向的外力场，如超重力场、压力场、电场和磁场等，材料组织定向排列能够有效地提高材料的多种性能。强磁场具有大能量、无接触、稳定的特点，是理想的定向场。强磁场控制流体流动，液体中的流动是与体系传热、传质和晶体生长有关的重要问题。利用强磁场控制液体的流动，有可能控制材料中溶质分布、凝固组织形态、化学反应速率等，具有重大的理论意义和应用价值。这意味着利用强磁场有可能控制材料在结晶凝固过程中晶体生长的形态、大小、分布和取向等等，从而控制材料的组织，最终获得具有优良力学性能和物理性能的新材料。在强磁场条件下可以模拟太空环境中的微重力状态实现晶体的可控扩散生长，发展新的半导体、金属和非金属材料制备方法与技术等。通过控制外加磁场的强度，则可实现模拟多倍重力(即超重)条件下的研究，或在缩小比例的模型上以更强的力场模拟在大型研究对象中材料所受应力、应变相当的环境，如用强磁场在缩小比例的模型上模拟重力场造成的应力，研究大型水坝工程的耐久性及抗灾能力等。此外，通过控制强磁场的分布，使得材料不均匀受力，还可以模拟外加非均匀场造成的应力、应变，如以磁场产生的应力代替或模拟机械应力，研究航空器的结构疲劳现象等。研究这些新的物理现象需要数万高斯的、高均匀度和高稳定性的特殊位形强磁场环境，采用超导磁体技术是一种经济合理的解决途径。
超导线材具有较高的电流密度，比普通铜导体材料的电流传输能力高两到三个量级，基于超导线材研制的磁体结构更加紧凑。高均匀度高磁场线圈可以通过不同规格超导线组合实现。为了产生高于9T以上的磁场，通常使用NbTi和Nb3Sn线圈组合在液氦温度下运行，但使用Nb3Sn超导线材使得磁体系统的技术难度加大、造价较高。
发明内容
为克服现有技术的缺点，本发明提出一种基于NbTi/Cu超导线材的超导线圈组成的超导磁体系统，本发明在液氦温度下运行，可以产生高于9.4T的磁场强度。磁场在直径50mm的球形范围内不均匀度小于0.15ppm，磁体在失超后能够有效抑制由于磁通膨胀导致周围仪器设备损害的现象，稳定超导线圈保证超导磁体运行的稳定性，减小系统整体造价。
本发明超导磁体系统由主线圈、外围线圈、失超保护电路、失超加热器和电源组成。其中主线圈由多个同心螺管线圈按径向从内到外分层依次安装而成，每个螺管线圈的线材均为NbTi/Cu，沿径向方向从内层到外层依次是内主线圈、稳定线圈、稳定线圈的补偿线圈一、稳定线圈的补偿线圈二、分级线圈一、分级线圈二、分级线圈三、分级线圈四、外加强磁场线圈一、外加强磁场线圈二、端部外补偿线圈一、端部外补偿线圈二，所述的线圈串联起来形成超导磁体系统的主线圈。主线圈的外层再安装外围线圈，外围线圈沿径向从内至外依次包括反绕线圈一、反绕线圈二、补偿六次谐波分量的超导线圈一、补偿六次谐波分量的超导线圈二、屏蔽环和屏蔽线圈。超导磁体系统的主线圈和外围线圈共同组成了高磁场高均匀度的超导磁体线圈系统。
本发明超导磁体系统的失超保护电路包括多个回路，每个回路由对应的保护电阻和二极管与每个线圈串联形成。每个线圈对应安装一个失超加热器。当失超保护电路检测到某个线圈失超后，迅速控制开关切断电源，并控制每个线圈对应的失超加热器加热使每个线圈迅速失超，失超后每个线圈在各自的串联回路里放电从而保护线圈避免烧毁。
本发明采用高电流密度的NbTi/Cu超导线组成的超导线圈，当磁体的运行温度为4.2K的液氦温度条件下，在直径50mm的室温空间获得9.4T的磁场，从而减小超导磁体的造价。
本发明使用不同规格的导体分级组合超导线圈，磁体系统内层的超导线圈运行在较低的电流密度，例如96.54A/mm2。从最内层的超导线圈到最外层的超导线圈，超导线圈的电流密度逐渐提高，最外层的屏蔽线圈的运行电流密度最高，例如188.3A/mm2。在最内层超导内主线圈的外表面上，安装带有两个补偿线圈的稳定线圈，两个补偿线圈和稳定线圈串联起来和一个电组R并联形成回路。
本发明超导线圈的电流分级是通过选择不同直径的超导线来实现的，相互紧邻的每个超导线圈的导线直径从内层到外层逐层增加，每层超导线圈的导线直径之差小于0.05mm，即从内层到外层的超导线圈，每个超导线圈的导线直径逐层增大，每层增加的数值小于0.05mm。
本发明超导磁体系统的补偿线圈，包括稳定线圈的补偿线圈一与稳定线圈的补偿线圈二，端部外补偿线圈一与端部外补偿线圈二，补偿六次谐波分量的超导线圈一与补偿六次谐波分量的超导线圈二，每对线圈均为两两对称布置，实现线圈所要求的均匀度。本发明增加了绕制方向与主线圈绕制方向相反的反绕超导线圈减小磁场的高次谐波分量，从而实现磁场的不均匀性小于0.15ppm。
本发明的超导磁体系统使用反绕线圈作为主磁体的屏蔽线圈，屏蔽线圈半径是内主线圈平均半径的2.75倍。屏蔽线圈可以使超导磁体系统外磁场的5G线压缩在径向方向为0.85m、轴线方向为1.45m范围内。5G线是指磁场强度小于5高斯的区域范围的边界线，其边界线磁场强度为5高斯。
超导线圈在屏蔽线圈失超情况下，主磁体的磁场会在极短时间内快速膨胀，使得磁体附近的电子设备损坏，本发明用金属材料如铜或铝，作为屏蔽感应的屏蔽环，布置在屏蔽线圈附近。由于屏蔽线圈失超产生的电流衰减，在屏蔽环内产生感应电流的磁场补偿主磁体磁场的外泄。
本发明为克服局部线圈失超，由于电磁耦合产生其它未失超线圈的电流增大，导致线圈的应力过载，在线圈低磁场区域布置使用失超加热器。当检测有线圈失超立即触发所有处于超导态的线圈同时失超。磁体采用电阻和双向二极管串联形成电流回路，保护超导磁体系统。
本发明的主要技术优点在于：
1)使用NbTi/Cu超导线材，对线圈的电流进行优化电流分级，可以实现较高的磁场。例如，磁场可达到9.43T，从而使用NbTi/Cu超导线圈可以实现高均匀度高磁场400MHz的核磁共振磁体系统；
2)在高磁场线圈外面布置稳定线圈，稳定线圈和一电阻R相连，可以在磁体充电时减小高磁场绕组的最大磁场，同时提高线圈的充放电速率；
3)在屏蔽线圈内部放置有高电导的失超感应电流屏蔽环，可以防止超导屏蔽线圈失超后导致磁体的磁场快速膨胀，从而破坏周围的电子设备。
4)使用反绕超导线圈布置在主磁体的外面，补偿磁场的高次谐波分量，提高超导磁体在工作区域内的均匀度。
5)使用主线圈和屏蔽线圈的半径合理配置，实现较高磁场屏蔽效率，使得高均匀度超导磁体的5G线非常小。
6)在每一个分级超导线圈低磁场区布置加热器，当线圈检测出失超信号时自动触发所有线圈同时失超，保证线圈不会过应力并抑制线圈的最大热点温度。
附图说明
图1为本发明超导磁体组成结构示意图。图中：1内主线圈、2稳定线圈、3稳定线圈的补偿线圈一、4稳定线圈的补偿线圈二、5分级线圈一、6分级线圈二、7分级线圈三、8分级线圈四、9外加强磁场线圈一、10外加强磁场线圈二、11端部外补偿线圈一、12端部外补偿线圈二、13反绕线圈一、14反绕线圈二、15补偿六次谐波分量的超导线圈一、16补偿六次谐波分量的超导线圈二、17屏蔽环、18屏蔽线圈；
图2是超导磁体上端面的俯视放大图；
图3为超导磁体系统的失超保护电路示意图。19失超加热器一、20失超加热器二、21第一失超加热器、22第二失超加热器、23第三失超加热器、24第四失超加热器、25第五失超加热器、26第六失超加热器、27失超保护电阻一、28失超保护电阻二、29失超保护电阻三、30失超保护电阻四、31失超保护电阻五、32失超保护电阻六、33失超保护电阻七、34稳定线圈电阻、35屏蔽电阻、36失超检测和控制单元、37超导开关、38和整体串联的保护电阻、39电源、40开关、41二极管一、42二极管二、43二极管三、44二极管四、45二极管五、46二极管六、47二极管七；
图4为超导磁体整体结构图。48线圈的固定端板，49主线圈骨架，50补偿线圈骨架，51支撑螺杆，52屏蔽涡流环的骨架，53屏蔽线圈的骨架，54定位端板，55定位和固定螺杆；
图5为图1的具体实施方案磁体在工作空间内的磁场分布等位线图；
图6是超导磁体系统的5G线图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为本发明超导磁体组成结构示意图。本发明超导磁体系统由主线圈、外围线圈、失超保护电路、失超加热器和电源组成。本发明超导磁体系统主线圈由多个同心螺管线圈按径向从内到外分层依次安装而成，每个螺管线圈的线材均为NbTi/Cu，沿径向方向从内层到外层依次是内主线圈1、稳定线圈2、稳定线圈的补偿线圈一3、稳定线圈的补偿线圈二4、分级线圈一5、分级线圈二6、分级线圈三7、分级线圈四8、外加强磁场线圈一9、外加强磁场线圈二10、端部外补偿线圈一11、端部外补偿线圈二12，它们串联起来形成超导磁体系统的主线圈。主线圈的外层安装有外围线圈，外围线圈沿径向从内至外依次包括反绕线圈一13、反绕线圈二14、补偿六次谐波分量的超导线圈一15、补偿六次谐波分量的超导线圈二16、屏蔽环17和屏蔽线圈18。本发明超导磁体系统的补偿线圈包括稳定线圈的补偿线圈一3与稳定线圈的补偿线圈二4，端部外补偿线圈一11与端部外补偿线圈二12，补偿六次谐波分量的超导线圈一15与补偿六次谐波分量的超导线圈二16，均为两两对称位置布置，实现线圈所要求的均匀度。本发明超导磁体上端面的俯视放大图如图2所示。
如图1所示，由内主线圈1处在最高磁场区域，在液氦运行温度条件下可正常运行的磁场强度达到9.43T。使用NbTi/Cu线圈的运行温度裕度为0.2K，使用稳定线圈2、稳定线圈的补偿线圈一3和稳定线圈的补偿线圈二4组成的稳定线圈组用于减小线圈在励磁过程中所承受的磁场，以提高内主线圈1的运行温度裕度达到1K以上，从而提高内主线圈1的稳定性。当充电完成之后稳定线圈组的电流由于回路内的稳定线圈电阻而慢速衰减，使得最内层线圈逐渐达到正常运行的磁场。分级线圈一5、分级线圈二6、分级线圈三7、分级线圈四8、外加强磁场线圈一9和外加强磁场线圈二10采用电流均匀分级技术，减小线圈所承受的最大应力，提高线圈的平均电流密度。电流分级是通过选择不同直径的超导线来实现的，从内层到外层相互紧邻的每个超导线圈的导线直径逐层增大，每层超导线圈的导线直径之差小于0.05mm。分级线圈四8和外加强磁场线圈一9、外加强磁场线圈二10相互之间有6mm到8mm的间隙，以减小界面和半径的电磁应力。端部外补偿线圈一11和端部外补偿线圈二12用于补偿磁场沿着线圈轴向方向的衰减。补偿六次谐波分量的超导线圈一15和补偿六次谐波分量的超导线圈二16用于补偿超导磁体主磁场的6阶分量，反绕线圈一13和反绕线圈二14使用与绕制主线圈方向相反的反绕方法，用于进一步补偿磁场的高次谐波分量，使得在直径50mm的工作空间内达到0.15ppm的磁场均匀度。金属材料铜或铝的屏蔽环17安置在屏蔽线圈18的内部，当屏蔽线圈18因扰动失超时，由于感应电流产生的感应磁场可以消去磁体主磁场磁通的突然膨胀，使得磁体系统具有较好的电磁兼容性，避免外围电子仪器设备的损坏。屏蔽线圈18安装在主磁体平均半径2.75倍的径向方向位置上，屏蔽线圈18的磁矩和主线圈的磁矩方向相反，大小相同，使得主磁体的磁场屏蔽范围达到径向方向小于0.85m，轴向磁场小于1.45m。
图3为本发明超导磁体系统的失超保护电路示意图。图中，超导磁体整体使用一台电源39，通过开关40给磁体供电。内主线圈1、屏蔽线圈18、失超保护电阻一27和二极管一41通过串联形成回路，同时内主线圈1外表面上和屏蔽线圈18外表面上分别安装有失超加热器一19和失超加热器二20，加热器19、20通过导线引出连接到失超检测和控制单元36，当线圈失超时，内主线圈1和屏蔽线圈18可以向内主线圈1、屏蔽线圈18、失超保护电阻一27和二极管一41通过串联形成的回路放电。与此相同，分级线圈一5、分级线圈二6、失超保护电阻二28和二极管二42通过串联形成回路，在分级线圈一5外表面上装有第一失超加热器21，加热器21通过导线引出连接到失超检测和控制单元36。分级线圈三7、分级线圈四8、失超保护电阻三29和二极管三43通过串联形成回路，分级线圈三7外表面装有第二失超加热器22，加热器22通过导线引出连接到失超检测和控制单元36。外加强磁场线圈一9、失超保护电阻四30和二极管四44通过串联形成回路，外加强磁场线圈一9外表面上装有第三失超加热器23，加热器23通过导线引出连接到失超检测和控制单元36。外加强磁场线圈二10、失超保护电阻五31、二极管五45通过串联形成回路，外加强磁场线圈二10外表面上装有第四失超加热器24，加热器24通过导线引出连到接失超检测和控制单元36。端部外补偿线圈一11、端部外补偿线圈二12、失超保护电阻六32和二极管六46通过串联形成回路，端部外补偿线圈一11外表面上装有第五失超加热器25，加热器25通过导线引出连接到失超检测和控制单元36。反绕线圈一13、反绕线圈二14、补偿六次谐波分量的超导线圈一15、补偿六次谐波分量的超导线圈二16、失超保护电阻七33、二极管七47通过串联形成回路，反绕线圈一13外表面装有第六失超加热器26，加热器26通过导线引出连接到失超检测和控制单元36。当超导磁体工作运行时，超导开关37闭合，将电源开关40断开，整个超导磁体形成零损耗闭环回路，不需电源供电。和整体串联的保护电阻38和超导磁体串联用于限制超导磁体两端端电压，避免超导磁体失超时产生过高电压。
由失超检测和控制单元36检测线圈的失超信号，当发现失超时，失超检测和控制单元36发出触发信号断开开关40使得电源39和超导磁体脱开，所有的加热器加热使每个线圈失超，失超线圈在各自保护回路里放电，磁体系统的能量均匀释放，从而压制磁体的最大温升。稳定线圈2，稳定线圈的补偿线圈一3和稳定线圈的补偿线圈二4在磁体充电时，由于内主线圈1的磁通变化，感应反向电流产生的高磁场和内主线圈1的磁场叠加，减小内主线圈1的最大磁场。当磁体充电完成后，保持磁体和电源连接，稳定线圈2、稳定线圈的补偿线圈一3和稳定线圈的补偿线圈二4与稳定线圈电阻34并联，最终稳定线圈的电流将衰减到零，实现磁体系统所需的运行电流和运行磁场。屏蔽环17和屏蔽电阻35连接构成回路，对磁体系统进行一定范围内的磁场屏蔽。
图4为超导磁体整体结构示意图；1内主线圈、2稳定线圈、3稳定线圈的补偿线圈一、4稳定线圈的补偿线圈二、5分级线圈一、6分级线圈二、7分级线圈三、8分级线圈四、9外加强磁场线圈一和10外加强磁场线圈二直接安装在骨架49上。11端部外补偿线圈一、12端部外补偿线圈二、13反绕线圈一、14反绕线圈二、15补偿六次谐波分量的超导线圈一和16补偿六次谐波分量的超导线圈二安装在骨架50上。屏蔽环17装配在支撑结构52上，在52的外部放置屏蔽线圈18的骨架，整个超导磁体使用端板48通过螺钉55固定在骨架49上。为支撑屏蔽线圈18，在端板48上固定定位板54。超导磁体整体使用螺杆51通过螺钉将两侧端板48连接起来。
图5为图1的具体实施方案磁体在工作空间内的磁场分布等位线图，我们使用67.189A的运行电流。超导磁体的室温孔径为直径50mm，在该区域内的磁场不均匀性小于0.15ppm。
图6表示的是超导磁体系统的5G线图。如图6所示，可以得到线圈的r方向的为0.85m，轴向z方向小于1.45m。表明该超导磁体结构具有极高的电磁兼容特性。
本发明提供使用NbTi/Cu超导线圈可以研制磁场高达9.43T的超导磁体，特别适合于特种科学仪器使用特别是400MHz的核磁共振磁体系统使用。具有造价低、电磁兼容特性好、使用方便、运行可靠等优点。

Claims (8)

1、一种用于产生高磁场高均匀度的超导磁体系统，其特征在于，所述超导磁体系统由主线圈、外围线圈、失超保护电路、失超加热器和电源组成；主线圈由多个同心螺管线圈按径向从内到外分层依次安装而成，从内到外分层依次是内主线圈(1)、稳定线圈(2)、稳定线圈的补偿线圈一(3)、稳定线圈的补偿线圈二(4)、分级线圈一(5)、分级线圈二(6)、分级线圈三(7)、分级线圈四(8)、外加强磁场线圈一(9)、外加强磁场线圈二(10)、端部外补偿线圈一(11)、端部外补偿线圈二(12)；主线圈的外层为外围线圈，外围线圈沿径向从内至外依次为反绕线圈一(13)、反绕线圈二(14)、补偿六次谐波分量的超导线圈一(15)、补偿六次谐波分量的超导线圈二(16)、屏蔽环(17)和屏蔽线圈(18)；失超保护电路包括多个回路，每个回路由对应的保护电阻和二极管与每个线圈串联形成，每个线圈对应安装一个失超加热器。
2、按照权利要求1所述的用于产生高磁场高均匀度的超导磁体系统，其特征在于，从内层到外层相互紧邻的每个超导线圈的导线直径逐层增大，每层超导线圈的导线直径之差小于0.05mm；分级线圈四(8)和外加强磁场线圈一(9)、外加强磁场线圈二(10)相互之间有6mm到8mm的间隙。
3、按照权利要求1所述的用于产生高磁场高均匀度的超导磁体系统，其特征在于，所述的屏蔽线圈(18)，安装在主磁体平均半径2.75倍的径向方向位置上，屏蔽线圈(18)的磁矩和主线圈的磁矩方向相反，屏蔽线圈(18)的半径是内主线圈平均半径的2.75倍，屏蔽线圈(18)内部装有屏蔽环(17)。
4、按照权利要求1所述的用于产生高磁场高均匀度的超导磁体系统，其特征在于，反绕线圈一(13)、反绕线圈二(14)的绕制方向和主线圈绕制方向相反。
5、、按照权利要求1所述的用于产生高磁场高均匀度的超导磁体系统，其特征在于，内主线圈(1)、屏蔽线圈(18)、失超保护电阻一(27)和二极管一(41)串联形成回路，内主线圈(1)外表面安装有失超加热器一(19)，屏蔽线圈(18)外表面上装有失超加热器二(20)；分级线圈一(5)、分级线圈二(6)、失超保护电阻二(28)和二极管二(42)通过串联形成回路，在分级线圈一(5)外表面上装有第一失超加热器(21)；分级线圈三(7)、分级线圈四(8)、失超保护电阻三(29)和二极管三(43)通过串联形成回路，分级线圈三(7)外表面装有第二失超加热器(22)；外加强磁场线圈一(9)、失超保护电阻四(30)和二极管四(44)通过串联形成回路，外加强磁场线圈一(9)外表面装有第三失超加热器(23)；外加强磁场线圈二(10)、失超保护电阻五(31)、二极管五(45)通过串联形成回路，外加强磁场线圈二(10)外表面上装有第四失超加热器(24)；端部外补偿线圈一(11)、端部外补偿线圈二(12)、失超保护电阻六(32)和二极管六(46)通过串联形成回路，端部外补偿线圈一(11)外表面装有第五失超加热器(25)；反绕线圈一(13)、反绕线圈二(14)、补偿六次谐波分量的超导线圈一(15)、补偿六次谐波分量的超导线圈二(16)、失超保护电阻七(33)、二极管七(47)通过串联形成回路，反绕线圈一(13)外表面装有第六加热器(26)；失超加热器一(19)、失超加热器二(20)，以及第一至第六加热器(21、22、23、24、25、26)通过导线引出，连接到失超检测和控制单元(36)；稳定线圈(2)、稳定线圈的补偿线圈一(3)、稳定线圈的补偿线圈二(4)相互串联后和稳定线圈电阻(34)并联形成回路。
6、按照权利要求1所述的用于产生高磁场高均匀度的超导磁体系统，其特征在于，所述的屏蔽环(17)和屏蔽电阻(35)连接构成回路，在屏蔽线圈失超时对磁体系统进行磁场屏蔽。
7、按照权利要求1所述的用于产生高磁场高均匀度的超导磁体系统，其特征在于，所述的磁体系统的每个螺管线圈的线材为NbTi/Cu。
8、按照权利要求1所述的用于产生高磁场高均匀度的超导磁体系统，其特征在于，所述的稳定线圈的补偿线圈一(3)与稳定线圈的补偿线圈二(4)，端部外补偿线圈一(11)与端部外补偿线圈二(12)，补偿六次谐波分量的超导线圈一(15)与补偿六次谐波分量的超导线圈二(16)两两对称布置。
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