CN104599805A - 一种太赫兹源的强磁聚焦磁体系统 - Google Patents

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Abstract

一种太赫兹源的强磁聚焦磁体系统，由6个NbTi和2个Nb3Sn线圈以不同的空间位置和电流密度分布构成。磁体系统产生中心强度为16T磁场分布，满足太赫兹(THz)器件所要求的磁场均匀区长度为200mm和阴极区磁场强度为3000高斯的要求。整体超导线圈电磁设计由内到外径向电流密度逐渐增大。内层主线圈高磁场部分采用Nb3Sn超导线材，外层校正线圈使用线径由内到外逐渐减小的多种NbTi超导线组合。本发明采用分布式微流与分布式Litz高热导的固体丝与制冷机相连接，实现系统的整体冷却。

Description

一种太赫兹源的强磁聚焦磁体系统
技术领域
本发明涉及一种用于太赫兹源的强磁聚焦磁体系统，特别适合于具有运动系统的高功率太赫兹系统。
背景技术
太赫兹(THz)泛指频率在0.1～10THz的电磁波。从频率上看，太赫兹在无线电波和光波，毫米波和红外线之间，高于微波，低于红外线；从能量上看，它的能量大小在电子和光子之间。在电磁频谱上，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经非常成熟，但是太赫兹技术基本上还是一个空白，其原因是在此频段上，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适宜采用微波的理论来研究。太赫兹系统在半导体材料、高温超导材料的性质研究、断层成像技术、无标记的基因检查、细胞水平的成像、化学和生物的检查，以及宽带通信、微波定向等许多领域有广泛的应用。研究该频段的辐射源不仅将推动理论研究工作的重大发展，而且对固态电子学和电路技术也将提出重大挑战。可以预料，太赫兹技术将是21世纪重大的新兴科学技术领域之一。
目前太赫兹(THz)源的磁场主要采用常规电磁场，磁场强度较低，为此需要发展具有可移动、轻型化的强磁场聚焦系统以满足高功率THz源的使用需要。同时由于应用在高功率THz源的强磁聚焦磁体系统具有复杂的磁场外形，磁场的精度要求较高，为此需要特殊组合的线圈结构以实现高功率THz系统所要求的磁场强度和磁场空间特殊位形。随着新型超导材料和冷却方法的发展，将可以研制出用于高功率THz源的强磁聚焦磁体系统。
发明内容
本发明的目的是克服传统太赫兹(THz)源的强磁聚焦磁体系统的磁场强度偏低、磁场稳定度和精度较差的问题，提出一种强磁场磁聚焦磁体系统。本发明以NbTi线圈和Nb3Sn线圈的多个超导线圈结构布置组合形成，同时采用微流热交换器与利兹(Litz)线分布式导冷结构，极大提高磁体系统的温度均匀性，以稀土掺杂有效提高超导线圈的稳定性，实现磁体系统在复杂环境下运行的需要。
本发明太赫兹(THz)源的强磁聚焦磁体系统，包括两个超导主线圈：第一超导主线圈和第二超导主线圈，四个超导校正线圈：第一超导校正线圈、第二超导校正线圈、第三超导校正线圈和超导校正线圈，以及两个阴极磁场补偿超导线圈。
所述的两个超导主线圈中，第一超导主线圈为圆筒形螺管线圈，位于本发明强磁聚焦磁体系统的最内层，承受的磁场强度达到16.5T。第一超导主线圈采用Nb3Sn超导线材制造。第二超导主线圈亦为圆筒形螺管线圈，同样由Nb3Sn超导线材制作，与第一超导主线圈同轴布置于第一超导主线圈的外表面。第一超导主线圈的外壁与第二超导主线圈的内壁之间的间隙为5mm。
所述的四个超导校正线圈中，第一超导校正线圈为螺管线圈，同轴布置于第二超导主线圈一端端部的外表面，与第二超导主线圈的间隙为6mm。第二超导校正线圈亦为螺管线圈，同轴布置于第一超导校正线圈的外表面，与第一超导校正线圈之间保持3mm的间隙。第三超导校正线圈三也为螺管线圈，同轴布置于第二超导主线圈另一端端部的外表面，与第二超导主线圈的间隙为6mm。第四超导校正线圈同样为螺管线圈，同轴布置于第三超导校正线圈的外表面，与第三超导校正线圈之间保持3mm的间隙。四个超导校正线圈均由NbTi超导线材制作。第一超导主线圈、第二超导主线圈、第一超导校正线圈、第二超导校正线圈、第三超导校正线圈，以及第四超导校正线圈组成的线圈系统可提供轴向200mm的均匀磁场区间和16T的高磁场。
为了校正阴极磁场强度达到3000高斯，本发明在第一超导主线圈和第二超导主线圈的轴向端面两侧分别布置有第一阴极磁场补偿超导线圈和第二阴极磁场补偿超导线圈。第一阴极磁场补偿超导线圈和第二阴极磁场补偿超导线圈均为螺管线圈，由NbTi超导线圈制作。
本发明THz强磁聚焦磁体系统以多个超导线圈按照优化空间电流密度分级布置组成，提供所要求的磁场强度，以分布式的电流补偿空间的磁场的不精确，消除多级分量实现磁场的精度要求，以产生高功率的THz输出所要求的强磁聚焦磁体系统。
本发明的两个超导主线圈位于强磁聚焦磁体系统的最内层，两对阴极磁场补偿超导线圈分别位于第一超导主线圈和第二超导主线圈的外部的两端，形成所要求的200mm的均匀磁场区域。为充分提高超导线材的利用率和减小系统的冷重量，两个超导主线圈采用径向电流密度分级布置，采用具有较高电流传输特性的高性能Nb3Sn为线材绕制，是产生中心磁场的主要线圈。超导校正线圈同样采用径向电流分级布置，并且使用具有造价较低的NbTi线材绕制，产生辅助修正磁场，进一步增加中心磁场的强度。在太赫兹源器件的阴极区域产生的电子束在高压电场作用下向阳极高速运动。阴极和阳极之间的由周期分布的电极组成的电子减速系统能够形成周期分布的电势场，使电子在其中形成周期分布的电子包，这一过程可以产生太赫兹辐射。THz源的阴极区域位于两个超导主线圈轴向端部的外部，需要较低的磁场，为此需要将均匀区域的磁场快速进行校正。本发明在两个超导主线圈的两个端部分别放置两个阴极磁场补偿超导线圈，以便将高磁场区域的场强快速消除，达到在阴极区域的磁场为3000高斯的水平。
本发明在各个线圈的外表面缠绕有微流热交换器。微流热交换器为金属细管，其一端与制冷机二级冷头连接。微流热交换器的外径为0.5-1mm，管内充满氦气。微流热交换器一圈一圈地缠绕在第一超导主线圈的外表面，增加与第一超导主线圈的热交换面积。同样的，在第二超导主线圈、第一超导校正线圈、第二超导校正线圈、第三超导校正线圈、第四超导校正线圈、第一阴极磁场补偿超导线圈和第二阴极磁场补偿超导线圈的外表面也缠绕有微流热交换器，以增加线圈表面的热交换面积，通过微流热交换器内的氦气传热提高冷却效率。
本发明在各个线圈的内部均布有分布式固体导冷Litz线。所述的分布式固体导冷Litz线为固体金属细导线，均匀分布在第一超导主线圈的内部。分布式固体导冷Litz线的一端连接制冷机的二级冷头，通过分布式固体导冷Litz线将制冷机的二级冷头的冷量传到第一超导主线圈内部。同样的，在第二超导主线圈、第一超导校正线圈、第二超导校正线圈、第三超导校正线圈、第四超导校正线圈、第一阴极磁场补偿超导线圈和第二阴极磁场补偿超导线圈的内部也均匀分布有分布式固体导冷Litz线，通过固体导冷Litz线将制冷机的二级冷头的冷量传到各线圈的内部。
由于本发明强磁聚焦磁体系统所要求的磁场高达16T以上，为了充分提高超导线材的输出特性，各个线圈的内部的温度均匀性极其重要。本发明在各个线圈的内外表面均匀缠绕有0.5-1mm直径的高热导的微流热交换器，在各个线圈的内部布置有分布式固体导冷Litz线，形成分布式固体导热，实现超导线圈整体的温度均匀性。为了抑制超导线圈在外界热扰动情况下的温度漂移，本发明采用具有较高热容的稀土纳米掺杂工艺，将超导线圈采用稀土掺杂环氧树脂真空浸渍，形成具有较高热导和热容的超稳定超导磁体系统。
本发明强磁聚焦磁体系统采用多个阴极补偿超导线圈补偿磁场空间分布，以满足THz所需要的磁场精度。本发明强磁聚焦磁体系统采用稀土高热容材料掺杂环氧树脂，采用真空浸渍工艺固化成型。
为了使用复杂的热真空使用环境和满足机载、车载等野外运动系统以及航空航天使用的需求，本发明的超导主线圈和超导校正线圈采用径向电流密度分级布置，即第一超导主线圈的导线线径大于第二超导主线圈的导线线径，第二超导主线圈的线径大于第一超导校正线圈的线径，第一超导校正线圈的线径大于第二超导校正线圈。同样的，第二超导主线圈的线径大于第三超导校正线圈的线径，第三超导校正线圈的线径大于第四超导校正线圈的线径。使用径向电流密度分级布置形成的本发明强磁聚焦磁体系统电磁结构，整体具有导线使用量少和系统冷重量较小。
本发明采用制冷机直接与分布式固体导冷Litz线和微流热交换器导冷，整体结构可适应运动等野外复杂环境使用需要，抗干扰能力提高。
附图说明
图1本发明太赫兹强磁聚焦磁体系统的整体电磁结构图，
图中：1第一超导主线圈，2第二超导主线圈，3第一超导校正线圈，4第二超导校正线圈，5第三超导校正线圈；6第四超导校正线圈，7第一阴极磁场补偿超导线圈、8第二阴极磁场补偿超导线圈，9微流热交换器，10分布式固体导冷Litz线；
图2满足产生高功率太赫兹源的磁场分布特性示意图，图中：11阴极区，12收集区，13均匀区；
图3微流热交换器与分布式固体导热结构，图中，14制冷机二级冷头。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明用于高功率THz源的强磁聚焦磁体系统包括第一超导主线圈1，第二超导主线圈2，第一超导校正线圈3，第二超导校正线圈4，第三超导校正线圈5，第四超导校正线圈6，第一阴极磁场补偿超导线圈7，以及第二阴极磁场补偿超导线圈8。
第一超导主线圈1为圆筒形螺管线圈，位于本发明强磁聚焦磁体系统的最内层，承受的磁场强度达到16T。第一超导主线圈1采用Nb3Sn超导线材制作。第二超导主线圈2亦为圆筒形螺管线圈，同样由Nb3Sn超导线材制作。第二超导主线圈2与第一超导主线圈1同轴布置于第一超导主线圈1的外表面，第一超导主线圈1的外壁与第二超导主线圈2的内壁之间的间隙为5mm。
第一超导校正线圈3为螺管线圈，同轴布置于第二超导主线圈2一端端部的外表面，第一超导校正线圈3的内壁与第二超导主线圈2外壁之间的间隙为6mm。第二超导校正线圈4为螺管线圈，同轴布置于第一超导校正线圈3的外表面，第二超导校正线圈4的内壁与第一超导校正线圈3外壁之间保持3mm的间隙。第三超导校正线圈5为螺管线圈，同轴布置于第二超导主线圈2另一端端部的外表面，第三超导校正线圈5的内壁与第二超导主线圈2的外壁之间的间隙为6mm。第四超导校正线圈6为螺管线圈，同轴布置于第三超导校正线圈5的外表面，第四超导校正线圈6的内壁与第三超导校正线圈5外壁之间保持3mm的间隙。四个超导校正线圈3、4、5、6均由NbTi超导线材制作。第一超导主线圈1，第二超导主线圈2，第一超导校正线圈3，第二超导校正线圈4，第三超导校正线圈5，第四超导校正线圈6组成的线圈系统可提供轴向200mm的均匀磁场区间和16T的高磁场，均匀区磁场均匀度0.1％-0.3％。
为了校正阴极磁场强度达到3000高斯，本发明在第一超导主线圈1和第二超导主线圈2的轴向端面两侧分别布置有第一阴极磁场补偿超导线圈7和第二阴极磁场补偿超导线圈8。第一阴极磁场补偿超导线圈7和第二阴极磁场补偿超导线圈8均为螺管线圈，由NbTi超导线圈制作。
为充分提高超导线材的利用率和减小磁体系统的冷重量，本发明的两个超导主线圈1、2，四个超导校正线圈3、4、5、6、按照超导线材的径向电流密度分级布置，即第一超导主线圈1的导线线径大于第二超导主线圈2的导线线径，第二超导主线圈2的线径大于第一超导校正线圈3的线径，第一超导校正线圈3的线径大于第二超导校正线圈4。同样的，第二超导主线圈2的线径大于第三超导校正线圈5的线径，第三超导校正线圈5的线径大于第四超导校正线圈6的线径。
本发明强磁聚焦磁体系统整体用稀土高热容材料掺杂环氧树脂，采用真空浸渍工艺固化成型。
图2所示是高功率太赫兹源所要求的磁场分布形态，该磁场包含阴极磁场区11，均匀磁场区13和收集磁场区12。本发明采用第一阴极磁场补偿超导线圈7和第二阴极磁场补偿超导线圈8满足阴极区11的磁场强度小于3000高斯的要求，第二阴极磁场补偿超导线圈8补偿收集区12的磁场要求。本发明的第一超导主线圈1，第二超导主线圈2，第一超导校正线圈3，第二超导校正线圈4，第三超导校正线圈5，以及第四超导校正线圈6共同实现均匀区13的磁场分布。
图3所示为本发明微流热交换器与分布式固体导热结构。微流热交换器9为金属细管，其一端与制冷机二级冷头14连接。微流热交换器的管外径为0.5-1mm，管内充满氦气。微流热交换器9一圈一圈地缠绕在第一超导主线圈1的外表面，增加与第一超导主线圈1的热交换面积。同样的，在第二超导主线圈2、第一超导校正线圈3、第额超导校正线圈4、第三超导校正线圈5、第四超导校正线圈6、第一阴极磁场补偿超导线圈7和第二阴极磁场补偿超导线圈8的外表面一也缠绕有微流热交换器9，以增加其表面的热交换面积，通过微流热交换器9内的氦气传热提高冷却效率。
分布式固体导冷Litz线10为固体金属细导线，均匀分布在第一超导主线圈1的内部。分布式固体导冷Litz线10的一端连接制冷机的二级冷头14，通过分布式固体导冷Litz线10将制冷机的二级冷头14的冷量传到第一超导主线圈1内部。同样的，在第二超导主线圈2、第一超导校正线圈3、第二超导校正线圈4、第三超导校正线圈5、第四超导校正线圈6、第一阴极磁场补偿超导线圈7和第二阴极磁场补偿超导线圈8的内部也均匀分布有分布式固体导冷Litz线10，通过分布式固体导冷Litz线10将制冷机的二级冷头14的冷量传到各线圈内部。

Claims (5)

1.一种太赫兹源的强磁聚焦磁体系统，其特征在于：所述的强磁聚焦磁体系统包括两个超导主线圈(1、2)，四个超导校正线圈(3、4、5、6、)和两个阴极磁场补偿超导线圈(7、8)；所述的第一超导主线圈(1)位于强磁聚焦磁体系统的最内层，第二超导主线圈(2)与第一超导主线圈(1)同轴布置于第一超导主线圈(1)的外表面；第一超导校正线圈(3)同轴布置于第二超导主线圈(2)一端端部的外表面；第二超导校正线圈(4)同轴布置于第一超导校正线圈(3)的外表面；第三超导校正线圈(5)同轴布置于第二超导主线圈(2)另一端端部的外表面；第四超导校正线圈(6)同轴布置于第三超导校正线圈(5)的外表面；第一超导主线圈(1)和第二超导主线圈(2)的轴向端面两侧分别布置有第一阴极磁场补偿超导线圈(7)和第二阴极磁场补偿超导线圈(8)；所述的两个超导主线圈(1、2)，四个磁场校正线圈(3、4、5、6、)和两个阴极磁场补偿超导线圈(7、8)组成磁体系统；各个所述的超导线圈内部均布有分布式固体导冷Litz线(10)，各个所述的超导线圈表面缠绕有微流热交换器(9)，分布式固体导冷Litz线(10)和微流热交换器(9)与制冷机(11)相连接；所述的磁体系统通过稀土材料掺杂环氧树脂，采用真空浸渍工艺固化成型。
2.按照权利要求1所述的太赫兹源的强磁聚焦磁体系统，其特征在于：所述的第一超导主线圈(1)与第二超导主线圈(2)之间的间隙为5mm；第一超导校正线圈(3)与第二超导主线圈(2)的间隙为6mm；第二超导校正线圈(4)与第一超导校正线圈(3)之间的间隙为3mm；第三超导校正线圈(5)与第二超导主线圈(2)之间的间隙为6mm；第三超导校正线圈(5)与第二超导主线圈(2)之间的间隙为6mm；第四超导校正线圈(6)与第三超导校正线圈(5)之间的间隙为3mm。
3.按照权利要求1所述的太赫兹源的强磁聚焦磁体系统，其特征在于：所述的两个超导主线圈(1、2)、四个超导校正线圈(3、4、5、6、)，以及两个阴极磁场补偿超导线圈(7、8)均为螺管线圈，所述的两个超导主线圈(1、2)由Nb3Sn超导线材制作，四个超导校正线圈(3、4、5、6)，以及两个阴极磁场补偿超导线圈(7、8)由NbTi超导线材制作。
4.按照权利要求1所述的太赫兹源的强磁聚焦磁体系统，其特征在于：两个所述的超导主线圈(1、2)和四个超导校正线圈(3、4、5、6、)共同提供16T的中心磁场；四个超导校正线圈(3、4、5、6、)实现磁体系统轴向200mm的均匀区间；两个阴极磁场补偿超导线圈(7、8)实现位于磁体系统外部阴极区小于3000高斯的磁场强度。
5.按照权利要求1所述的太赫兹源的强磁聚焦磁体系统，其特征在于：所述的两个超导主线圈(1、2)和四个超导校正线圈(3、4、5、6)按照超导线材径向方向上的电流密度分级布置，即第一超导主线圈(1)的导线线径大于第二超导主线圈(2)的导线线径，第二超导主线圈(2)的导线线径大于第一超导校正线圈(3)的线径，第一超导校正线圈(3)的导线线径大于第二超导校正线圈(4)的导线线径；第二超导主线圈(2)的导线线径大于第三超导校正线圈(5)的导线线径，第三超导校正线圈(5)的导线线径大于第四超导校正线圈(6)的导线线径。
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