CN102623128B

CN102623128B - 用于产生最小b磁场的超导混合磁体装置

Info

Publication number: CN102623128B
Application number: CN201210096435.1A
Authority: CN
Inventors: 谢祖祺; 赵红卫; 卢旺; 张雪珍
Original assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Current assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Priority date: 2012-04-01
Filing date: 2012-04-01
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2032-04-01
Also published as: CN102623128A

Abstract

本发明涉及一种新的六极磁铁和螺旋管线包的超导混合磁体结构，主要应用于产生高电荷态离子的电子回旋共振离子源的最小B磁场结构的超导磁体系统。一种用于产生最小B磁场的超导混合磁体装置，包括有多极磁铁线包和螺旋管线包，其主要特点在于第一螺旋管线包嵌于所述的多极磁铁线包内注入端处；在所述的多极磁铁线包的外侧同轴设有数个螺旋管线包。本发明的优点是利用一个一体绕制，端部段电流均同向的多极磁铁与几个置于多级磁铁内外的同向电流螺旋管线包一起构成一个产生高磁镜比场强的最小B磁场结构。与现有结构最大区别：本发明的结构中的多极磁铁线包的端部段和螺旋管线包排列在同一轴向位置的内层或外层，其同向电流使它们之间只有吸力，没有斥力，由此所需的机械捆绑固定可相当地简化。

Description

用于产生最小B磁场的超导混合磁体装置

技术领域

本发明涉及一种新的六极磁铁线包和螺旋管线包超导混合磁体结构，主要应用于产生高电荷态离子的电子回旋共振离子源的最小B磁场结构的超导磁体系统。

背景技术

由数个螺旋管线包和六极磁铁组成的超导混合磁体是当今世界上高电荷态电子回旋共振离子源的核心组成部分。该超导混合磁体产生一个高磁场强度的最小B磁场结构以约束等离子体，电子沿着最小B磁场中的磁力线不断地来回旋转并在特定区域与馈入的高频微波发生共振吸收能量后，与离子和中性原子进行不断的碰撞电离，产生高电离态离子，经高电压形成的电场引出系统引出后产生高流强的离子束。电子回旋共振离子源的四十年发展历史证明，最小B磁场结构的磁场峰值和微波的工作频率越高，产生的等离子体密度就越高，离子源产生高电荷态离子束的性能就更好，即离子源能产生更高电荷态和更高的束流强度。现代的电子回旋共振离子源的磁场最高强度已由早期的0.5特斯拉增加到4特斯拉，微波工作频率也相应地由早期的5～6GHz增至28GHz。如今世界各先进国家的学者还在继续探索提高这种离子源的性能，以满足科研和工业技术发展的需求。最直接的方法是进一步提高磁场的场强和微波的频率。

建造磁场强度达几个特斯拉以上最小B磁场结构，需要一个由若干个螺旋管线包和多极磁铁组成的超导混合磁体，然而在此种混合磁体中存在着巨大的Lorentz作用力。Lorentz力是与两电流强度的乘积成正比但又反比于两者的距离，也就是说，两电流各增加一倍而保持距离不变，Lorentz作用力将是原来的四倍。如果线包间距很短，超导磁铁中高达1兆安/匝的电流线包间的Lorentz力(斥力和吸力)可轻易地达到数十吨甚至百吨量级。克服巨大的Lorentz斥力是建造这类超导混合磁体的最大技术挑战，因为这种力是把超导磁体中的线包相互推开。Lorentz吸力，虽然其强度和斥力大小相等，把磁体中的线包相互吸引，但磁铁线包的机械强度及线包的机械支撑较容易地克服此种吸力。当今高电荷态电子回旋共振离子源的最小B磁场结构的超导混合磁体通常是由三个螺旋管线包和一个六极磁铁构成。六极磁铁是由六个跑道型的线包组装而成(多体线包)，因此六极磁铁的两边都有三个跑道型线包的端部电流与螺旋管电流同向和反向，产生相当大的Lorentz吸力和斥力。在电流强度非常高而线包距离又很近的情况下，六极磁铁的电流端部与螺旋管的吸力和斥力可达到十吨或更高的量级，这正是现有的由数个螺旋管线包和六极磁铁组成的超导混合磁体的特性。如此强度的斥力使超导混合磁体必须采用非常强有力且复杂的机械结构以固定超导线包，确保其稳定性。如果固定不当，处于不稳定状态的超导混合磁体在激励时很容易移位而导致超导体失超。所以建造超导混合磁体要尽量降低磁体内的斥力。传统的解决办法是增加六极磁铁端部和螺旋管线包之间的轴向距离以降低斥力(但同时磁体的体积会大大地增加)和采用强有力复杂的机械固定系统。除此之外，六极磁铁的六个跑道型线包的相邻端部电流反向，对轴上磁场的贡献为零。

当今高电荷态电子回旋共振离子源的最小B磁场结构的超导混合磁体是用NbTi超导线绕制而成，其工作电流强度已非常接近此种超导体所处外磁场的临界电流。现采用的超导混合磁体结构有两种。一种是最先采用的经典式结构：六极磁铁位于螺旋管内部且其端部大大地往两端延伸以降低其端部和螺旋管的Lorentz斥力，如此的端部延伸使整个磁体的体积与非经典结构相比成培地增长，从而大幅度地增加了成本；另一种是非经典的磁体结构：六极磁铁位于螺旋管之外和其端部只是轴向地刚刚延伸过螺旋管。此结构利用“冷铁”结构降低抵消六极磁铁端部和螺旋管之间的斥力，但同时提供非常强有力的简单机械夹固，使得整个磁体非常稳定。在达到同样的磁场强度，其体积约为经典结构的一半，当然其制造成本也随之降低。

尽管现有的非经典结构已被实践证明是一个与经典结构相比更有潜力的优良结构，但要是采用这种结构继续提高磁场的强度，比如提高一倍，其六极磁铁端部和螺旋管之间的斥力必将大幅度地提高，需要更加有力的夹固。另外，在此结构中，六极磁铁是在螺旋管之外，六极磁铁的磁场没有被最大地优化利用。如果要继续提高六极磁铁和整个最小B的场强，唯有继续提高超导磁铁的电流强度。然而在更高的磁场下，NbTi超导线已无法承载更高的电流。所以用这种结构去提高电流和磁场强度就需用新的超导线材，如Nb₃Sn超导线，绕制磁铁以克服高磁场对超导体的临界电流限制。而Nb₃Sn超导线不但价格昂贵，约为NbTi超导线的六至十倍，更重要的是其可塑性远比NbTi超导线差，绕制后还需高温烘烤数星期之久以达到期望的临界电流强度。这一系列的要求大大地增加了磁体的制作难度，复杂性和成本。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足提供一种用于产生最小B磁场的超导混合磁体装置。利用端部电流同向的六极磁铁线包提供一个螺旋管线包和六极磁铁线包端部之间为零斥力且紧凑的超导混合磁体以产生高磁场强度的最小B磁场结构。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种用于产生最小B磁场的超导混合磁体装置，包括有多极磁铁线包和螺旋管线包，其主要特点在于第一螺旋管线包嵌于所述的多极磁铁线包内注入端处；在所述的多极磁铁线包的外侧同轴设有数个螺旋管线包。所述的多个螺旋管线包以进行场型调整。多极磁铁线包的端部和螺旋管之间因电流同向只产生吸力，没有斥力。

所述的用于产生最小B磁场的超导混合磁体装置，所述的多极磁铁线包为2-12极磁铁线包。

所述的用于产生最小B磁场的超导混合磁体装置，还包括有所述的六极磁铁线包为一体绕制，所述的六极磁铁线包由六个轴向直线段，每两个轴向直线段呈60度对称，其两端的六个旋转60度方位的回路电流端部段，每一端的三个电流连接回路端部段具有同一端的120度方位对称组成；电流流过六极的一个直线段后拐弯90度通过一个端部段之后再拐弯90度反向流过六极的另一直线段，如此重覆循环构成一个端部段电流均同向并产生非零轴上磁场的的六极磁铁。

所述的用于产生最小B磁场的超导混合磁体装置，还包括有所述的六极磁铁线包的外侧同轴设有第二螺旋管线包和第三螺旋管线包。

所述的用于产生最小B磁场的超导混合磁体装置，还包括有所述的六极磁铁线包的端部段电流与第一螺旋管线包、第二螺旋管线包和第三螺旋管线包的电流同向。可消除六极磁铁线包端部和螺旋管线包之间的Lorentz斥力和降低反向磁场，故螺旋管线包可径向地叠加在六级矩的端部电流线段上，缩短整个磁体结构的轴向长度。

所述的用于产生最小B磁场的超导混合磁体装置，还包括有所述的六极磁铁线包由六边形不锈钢筒的六个面支撑其六个端部段和六个直线段。

所述的用于产生最小B磁场的超导混合磁体装置，还包括在所述的六极磁铁线包的极矩之间以及所述的六极磁铁线包与螺旋管线包之间有G10空间充填。

所述的用于产生最小B磁场的超导混合磁体装置，还包括有在所述的六极磁铁线包的每两个六极磁铁直线段之间设有六极磁铁铁轭；在所述的六极磁铁线包的外部设有六极磁铁的屏蔽软铁：在六极磁铁的屏蔽软铁的外部设有磁体夹固屏蔽软铁：在六极磁铁的屏蔽软铁与所述磁体夹固屏蔽软铁之间嵌有多个螺旋管线包：在所述多个螺旋管线包之间设有六极磁铁径向夹固铝环，六极磁铁线包和螺旋管线包的内边界与超导体的室温边界有绝缘层。每两个所述的六极磁铁直线段之间设有与不锈钢筒焊为一体的六极磁铁铁轭。所述的六极磁铁铁轭提供固定六极磁铁的机制和稍微增加极向的磁场强度。所述的6个电流端部段平均地分布于六极磁铁线包的两端(每端3个)并旋转60度方位，其电流均为同向。所述的六极磁铁端部可叠加电流同向的螺旋管线包。在所述的六极磁铁线包的一端内置第一螺旋管线包，另一端有外置的第二螺旋管线包，其余的螺旋管线包均为外置。与传统的结构相比，此新的超导混合磁体能缩短整个磁体结构的轴向长度。

本发明的有益效果在于：

本发明的优点是利用一个一体绕制，端部段电流均同向的多极磁铁与几个置于多级磁铁内外的同向电流螺旋管线包一起构成一个产生高磁镜比场强的最小B磁场结构。与现有结构最大区别：本发明的结构中的多极磁铁线包的端部段和螺旋管线包排列在同一轴向位置的内层或外层，其同向电流使它们之间只有吸力，没有斥力，由此所需的机械捆绑固定可相当地简化。

本发明利用六极磁铁线包端部和螺旋管的电流同向实现一个端部零斥力，紧凑的磁体特性提高超导磁体的稳定性；利用六极磁铁线包端部段产生的轴向磁场提高整个最小B磁场的镜比强度。此结构原理可用于其它的螺旋管和多极磁铁超导混合磁体。

1、本发明通过利用一个端部段电流同向的六极磁铁和多个螺旋管组成的混合超导磁体结构。利用六极磁铁线包端部和螺旋管的电流同向实现一个端部零斥力的特性提高超导磁体的稳定性。

2、与经典和非经典的结构不同，本发明的结构其端部零斥力的特性使螺旋管和六极磁铁线包可处在同一轴向位置的内外径向层上，由此优化利用六极磁铁产生的径向磁场和有效地利用其端部产生的非零轴向磁场，以及螺旋管产生的磁场。

3、与经典的结构相比，本发明的结构的端部零斥力的特性可以大幅度地简化磁体所需的机械固定系统，使用与非经典结构同样的机械夹固，但可产生更高强度的磁场。

4、与经典和非经典的结构相比，本发明的结构可以在达到轴向的同等磁场强度下，大幅度地降低所需的超导体安匝数和所处的外磁场强度。

5、与经典和非经典的结构相比，本发明的结构可以在使用同种超导导线和在基本相同的导线负载情况下，提高径向和轴向的磁场强度50％以上，明显优于原有的结构。

6、与经典和非经典的结构相比，本发明的结构可提高磁镜比的最小B磁场结构所需的磁场强度。

7、可成为一种新型的高性能价格比的超导混合磁体。

附图说明

图1为本发明的立体示意图；

图2为本发明的一体绕制端部电流均同向的六极磁铁线包立体示意图；

图3为本发明的六极磁铁线包和螺旋管线包展开后的电流流向示意图；

图4为本发明的六极磁铁线包展开后的电流流向示意图；

图5为本发明实施例的左视剖视示意图；

图6为图5A-A剖视示意图。

图7为本发明的六极磁铁线包产生的非零轴向磁场位型。

图中：1.一体绕制端部电流均同向的六极磁铁线包；1-1六极磁铁线包的注入端端部；1-2.六极磁铁线包的引出端端部；2.嵌于六极磁铁线包内的第一螺旋管线包；3.位于六极磁铁线包外的第二螺旋管线包；4.位于六极磁铁线包外的第三螺旋管线包；5.六极磁铁铁轭；6.六极磁铁径向夹固铝环；7.G10空间充填；8.六边形不锈钢筒和六极铁线包的内边界层；9.超导磁体的室温六边形边界层；10.第一螺旋管线包的内边界层；11.六极磁铁的屏蔽软铁；12.整个磁体结构的夹固和屏蔽软铁。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：见图1，图3，一种用于产生最小B磁场的超导混合磁体装置，包括有多极磁铁线包和螺旋管线包，第一螺旋管线包嵌于所述的多极磁铁线包内注入端处；在所述的多极磁铁线包的外侧同轴设有数个螺旋管线包。所述的多个螺旋管线包以进行场型调整。多极磁铁线包的端部和螺旋管之间因电流同向只产生吸力，没有斥力。所述的多极磁铁线包为2-12极磁铁线包。

实施例2：见图1，图3，一种用于产生最小B磁场的超导混合磁体装置，包括有六极磁铁线包1和螺旋管线包，第一螺旋管线包2嵌于所述的六极磁铁线包1内注入端处；所述的六极磁铁线包1的外侧同轴设有第二螺旋管线包3和第三螺旋管线包4。所述的多个螺旋管线包以进行场型调整。

见图2，图4，所述的六极磁铁线包1为一体绕制，所述的六极磁铁线包1由六个轴向直线段，每两个轴向直线段呈60度对称，其两端的六个旋转60度方位的回路电流端部段，每一端的三个电流连接回路端部段具有同一端的120度方位对称组成；电流流过六极的一个直线段后拐弯90度通过一个端部段之后再拐弯90度反向流过六极的另一直线段，如此重覆循环构成一个端部段电流均同向并产生非零轴上磁场的的六极磁铁。

所述的六极磁铁线包1的端部段电流与第一螺旋管线包2、第二螺旋管线包3和第三螺旋管线包4的电流同向。可消除六极磁铁线包端部和螺旋管线包之间的Lorentz斥力和降低反向磁场，故螺旋管线包2，3可径向地叠加在六级矩的端部电流线段上，缩短整个磁体结构的轴向长度。

见图5，图6，所述的六极磁铁线包1由六边形不锈钢筒8的六个面支撑其六个端部段和六个直线段。在所述的六极磁铁线包1的极矩之间以及所述的六极磁铁线包1与螺旋管线包之间有G10空间充填7。

实施例3：见图5，图6，一种用于产生最小B磁场的超导混合磁体装置的应用，与实施例2结构相同。还包括有在所述的六极磁铁线包1的每两个六极磁铁直线段之间设有六极磁铁铁轭5；在所述的六极磁铁线包1的外部设有六极磁铁的屏蔽软铁11：在六极磁铁的屏蔽软铁11的外部设有磁体夹固屏蔽软铁12：在六极磁铁的屏蔽软铁11与所述磁体夹固屏蔽软铁12之间嵌有多个螺旋管线包：在所述多个螺旋管线包之间设有六极磁铁径向夹固铝环6，六极铁线包1超导螺旋管线包2的内边界8，10与超导体的室温边界9有绝缘层。每两个所述的六极磁铁直线段之间设有与不锈钢筒焊为一体的六极磁铁铁轭5。所述的六极磁铁铁轭5提供固定六极磁铁的机制和稍微增加极向的磁场强度。所述的6个电流端部段平均地分布于六极磁铁线包的两端(每端3个)并旋转60度方位，其电流均为同向。所述的六极磁铁1端部1-1，1-2可叠加电流同向的螺旋管线包。在所述的六极磁铁线包的一端内置第一螺旋管线包2，另一端有外置的第二螺旋管线包3，其余的螺旋管线包均为外置。与传统的结构相比，此新的超导混合磁体能缩短整个磁体结构的轴向长度。

本发明制备时，主要部件包括一体绕制端部段电流均同向的六极磁铁线包1，三个螺旋管线包2，3，4，一个支撑磁体的不锈钢六边形筒上8和充填件7以及屏蔽夹固的铝环6和软铁11。先在支撑磁体的不锈钢六边形筒上8上直接绕制一个端部段电流均同向的六极磁铁线包1。所述的六极磁铁线包1的6个电流端部段平均地分布于六极磁铁线包的两端(每端3个)并旋转60度方位，其电流均为同向。所述的六极磁铁线包1的六个直线段均匀地设于六边形不锈钢筒8的六个面上，每两个所述的六极磁铁直线段之间设有与不锈钢筒焊为一体的六极磁铁铁轭5。之后在所述的六极磁铁线包的一端内置预先绕制好的第一螺旋管线包2，再外置的预先绕制好的第二螺旋管线包3和第三螺旋管线包4，夹固铝环6和六极磁铁线包的屏蔽软铁11位于六极磁铁线包1及其端部1-1，1-2的G10充填物7。最后进行真空环氧树脂灌注成型，并装配超导磁体与室温的边界层9和整个磁体结构的夹固件和屏蔽软铁12。整个磁体处于液氦杜瓦中由液氦冷却或由适当的制冷机直接冷却。

为了尽量地利用所述混合磁体的径向磁场强度，采用一个六边形的等离子体腔体则可最大限度地利用混合磁体所产生的磁场。

图7所示的是由一体绕制的六极磁铁线包端部段1-1和-2的同向电流产生的非零轴上磁场位型。此非零轴上磁场与螺旋管线包产生的轴上磁场同向，叠加后可增加总磁场的强度以提高磁场镜像比或在达到预期的磁场镜像比，相当程度地降低螺旋管线包的安匝数。

实施例4：所述的六极磁铁线包1的外侧同轴设有第二螺旋管线包3和第三螺旋管线包4及第四螺旋管线包或第五螺旋管线包。以进行场型调整。其余与实施例2结构相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1. 一种用于产生最小B 磁场的超导混合磁体装置，包括有六极磁铁线包和螺旋管线包，其特征在于第一螺旋管线包嵌于所述的六极磁铁线包内注入端处；在所述的六极磁铁线包的外侧同轴设有第二螺旋管线包和第三螺旋管线包；所述的六极磁铁线包为一体绕制，所述的六极磁铁线包由六个轴向直线段，每两个轴向直线段呈60 度对称，其两端的六个旋转60 度方位的回路电流端部段，每一端的三个电流连接回路端部段具有同一端的120 度方位对称组成；电流流过六极的一个直线段后拐弯90 度通过一个端部段之后再拐弯90 度反向流过六极的另一直线段，如此重覆循环构成一个端部段电流均同向并产生非零轴上磁场的的六极磁铁；在所述的六极磁铁线包的每两个六极磁铁直线段之间设有六极磁铁铁轭；在所述的六极磁铁线包的外部设有六极磁铁的屏蔽软铁：在六极磁铁的屏蔽软铁的外部设有磁体夹固屏蔽软铁：在六极磁铁的屏蔽软铁与所述磁体夹固屏蔽软铁之间嵌有第二螺旋管线包和第三螺旋管线包：在所述第二螺旋管线包和第三螺旋管线包之间设有六极磁铁径向夹固铝环，六极磁铁线包和超导螺旋管线包的内边界与超导体的室温边界有绝缘层；所述的六极磁铁线包的端部段电流与第一螺旋管线包、第二螺旋管线包和第三螺旋管线包的电流同向。

2. 如权利要求1 所述的用于产生最小B 磁场的超导混合磁体装置，其特征在于还包括有所述的六极磁铁线包由六边形不锈钢筒的六个面支撑其六个端部段和六个直线段。

3. 如权利要求1 所述的用于产生最小B 磁场的超导混合磁体装置，其特征在于还包括在所述的六极磁铁线包的极矩之间以及所述的六极磁铁线包与螺旋管线包之间有G10 空间充填。