CN105206375A - 主动屏蔽式低温超导磁体系统的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动屏蔽式低温超导磁体系统的实验装置，包括有真空密封罐、多层绝热层、防辐射铜屏、制冷机、超导线圈、导冷机构、吊杆支撑机构、气体收集板；多层绝热层位于真空密封罐内部，防辐射铜屏位于多层绝热层内部，超导线圈位于防辐射铜屏内部，且超导线圈通过吊杆支撑机构吊装在真空密封罐法兰上，位于真空密封罐外的制冷机的一级冷头穿过真空密封罐与防辐射铜屏热连接并提供冷量，制冷机的二级冷头穿过防辐射铜屏通过导冷机构和超导线圈相连接，气体收集板安装在制冷机的一级冷头上。本发明可以主动屏蔽超导磁体线圈外部的磁场环境，大大简化了低温超导磁体系统的结构，降低中心磁场的漏磁，提高低温超导磁体系统外部的屏蔽效果。

Description

主动屏蔽式低温超导磁体系统的实验装置

技术领域

本发明涉及低温制冷和超导磁体领域，具体是一种主动屏蔽式低温超导磁体系统的实验装置。

背景技术

某些金属及其合金在温度非常低的情况下，会表现出电阻为零的特性。采用具备这种特性材料制作的线材绕制的线圈成为超导线圈。由于超导线圈工作时需要处于极低的温度下，传统的低温超导磁体系统一般都将超导线圈浸泡在液氦内，使得超导线圈维持在4.2K，保证超导线圈处于超导状态。

作为目前唯一一种可以达到4.2K的方便冷源，液氦沸点极低，同时氦资源极度缺乏。液氦一般通过大型氦液化系统液化，再将液氦贮存在液氦杜瓦内，运输到低温系统和低温实验室使用。大型氦液化系统一般包括氦气贮存系统、氦压缩机、纯化器、液化器和控制系统组成，占地面积较大，结构较为复杂。同时液氦在运输过程中不可避免存在损耗，不适用于液氦用量较小的场合。同时由于需要提供一个存储液氦的低温容器，传统的低温超导磁体系统结构非常复杂，在实际操作液氦时需要丰富的低温经验。

超导线圈通电后，线圈可以产生磁场强度非常高的环境。由于磁力线是首尾闭合的，因此超导线圈外部不可避免存在一定的漏磁，漏磁场强的大小和通电电流的大小成正比例关系。在传统低温超导磁体系统中，采用铁加工的屏蔽罩进行外部磁场屏蔽，但存在屏蔽效果差，屏蔽罩体积大、笨重等缺点。

主线圈可以产生高磁场环境，两端的屏蔽线圈同时产生反向磁场，主动屏蔽超导磁体线圈外部的磁场环境，减少中心磁场的漏磁，同时可以通过调节屏蔽线圈的电流实现磁场的不同压缩比。

基于上述原因，本发明设计了一种主动屏蔽式低温超导磁体系统的实验装置，其思想在于采用制冷机直接冷却超导线圈，省去了液氦容器等复杂结构。同时采用多个NbTi超导线绕制的螺线管线圈串联组成超导线圈，其中一个主线圈提供中心磁场，在主线圈外部的两端各放置一个或多个不同半径和厚度的屏蔽线圈，产生屏蔽磁场。由于超导线圈通电后，主线圈可以产生高磁场环境，两端的屏蔽线圈同时产生反向磁场，主动屏蔽超导磁体线圈外部的磁场环境，减少中心磁场的漏磁，同时可以通过调节屏蔽线圈的电流实现磁场的不同压缩比。

发明内容

针对传统低温超导磁体系统结构复杂、屏蔽效果差、外部漏磁严重的情况，本发明设计了一种主动屏蔽式低温超导磁体系统的实验装置，它采用制冷机直接冷却超导线圈，使得超导线圈工作在超导温度下，可以稳定运行。超导线圈采用多个螺线管串联组成，线圈两端放置有一个或多个屏蔽线圈产生反向磁场，主动屏蔽超导磁体线圈外部的磁场环境。这将大大简化低温超导磁体系统的结构，降低中心磁场的漏磁，提高低温超导磁体系统外部的屏蔽效果。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

主动屏蔽式低温超导磁体系统的实验装置，其特征在于：包括有真空密封罐、多层绝热层、防辐射铜屏、制冷机、超导线圈、导冷机构、吊杆支撑机构、气体收集板；所述的多层绝热层位于真空密封罐内部，防辐射铜屏位于多层绝热层内部，多层绝热层紧贴在防辐射铜屏的外表面上，超导线圈位于防辐射铜屏内部，且超导线圈通过吊杆支撑机构吊装在真空密封罐法兰上，位于真空密封罐外的制冷机的一级冷头穿过真空密封罐与防辐射铜屏热连接并提供冷量，制冷机的二级冷头穿过防辐射铜屏通过导冷机构和超导线圈相连接，气体收集板安装在制冷机的一级冷头上。所述的制冷机与防辐射铜屏、制冷机与导冷机构、导冷机构与超导线圈之间分别增加一层薄铟片。

真空密封罐是一个可以实现超高真空的真空罐体，采用无磁性不锈钢加工制作，真空密封罐采用可拆式结构，可以实现罐体的反复拆卸。

防辐射铜屏安装在真空密封罐内，减少从真空罐体内孔壁面射向超导线圈的辐射热。

制冷机是一种可以产生最低零下270℃的制冷设备，为超导线圈、防辐射铜屏和气体收集板提供冷量。

超导线圈包括有一个用于产生均匀场的中心磁场的主线圈，主线圈外部的两端各放置一个用于调整磁场的分布补偿线圈，主线圈和补偿线圈分别绕制在复合骨架上，主线圈与补偿线圈采取串联组合。主线圈和补偿线圈均是由多个NbTi超导线绕制的螺线管线圈。超导线圈通电后，主线圈可以产生高磁场环境，两端的补偿线圈同时产生反向磁场，主动屏蔽超导磁体线圈外部的磁场环境，减少中心磁场的漏磁，同时可以通过调节补偿线圈的电流实现磁场的不同压缩比。所述的复合骨架采用无氧铜和不锈钢叠加而成，复合骨架的端部沿径向开有多个环氧浸渍槽。所述的主线圈和补偿线圈外分别额外绕制一层无氧铜丝。

导冷机构采用在低温下导热能力非常强的无氧铜丝加工制作而成。

吊杆支撑机构由环氧玻璃钢材料制作而成，将超导线圈吊装在真空密封罐的上法兰上。

气体收集板包括有无氧铜板，无氧铜板上粘接有活性炭粒。气体收集板安装在制冷机上，制冷机可以将气体收集板冷却至零下200℃，气体收集板安装在真空密封罐内，在低温下可以捕获真空密封罐内的气体分子，在真空密封罐内产生超高真空的环境。

本发明的优点是：

本发明可以主动屏蔽超导磁体线圈外部的磁场环境，大大简化了低温超导磁体系统的结构，降低中心磁场的漏磁，提高低温超导磁体系统外部的屏蔽效果。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2-1为超导线圈与骨架结构示意图。

图2-2位骨架的侧视图。

图3-1为气体收集板的立体图。

图3-2为气体收集板的侧视图。

具体实施方式

如图1所示，一种主动屏蔽式低温超导磁体系统的实验装置主要由真空密封罐101、多层绝热层102、防辐射铜屏103、制冷机104、超导线圈105、导冷机构106、吊杆支撑机构107和气体收集板108组成。多层绝热层102位于真空密封罐101内部，防辐射铜屏103位于多层绝热层102内部，超导线圈105位于防辐射铜屏103内部，制冷机104和超导线圈105之间通过导冷机构106相连接，导冷机构106采用在低温下导热能力非常强的无氧铜丝加工制作，使得超导线圈105和制冷机104之间有良好的热交换。由于导冷机构106是单纯的传热结构，使得超导线圈105采用制冷机104直接冷却超导，无需液氮和液氦冷却。多层绝热层102紧贴在防辐射铜屏103的外表面上。制冷机104的一级冷头穿过真空密封罐101与防辐射铜屏103热连接并提供冷量。在制冷机104与防辐射铜屏103、制冷机104与导冷机构106、导冷机构106与超导线圈105之间增加一层薄薄的铟片。超导线圈105通过环氧玻璃钢材料制作的吊杆支撑机构107吊装在真空密封罐101法兰上。气体收集板108安装在制冷机104的二级冷头上。

如图2-1、2-2所示，超导线圈105采用以下结构：一个主线圈201提供中心磁场，主线圈201用于产生均匀场的中心磁场，在主线圈外部的两端各放置一个补偿线圈202，补偿线圈202用于调整磁场的分布。通过调节线圈的电流实现磁场的不同压缩比；主线圈201与补偿线圈202采取串联组合；调节外界电源改变电流的幅值可调节磁场的变化。主线圈201和补偿线圈202均为螺线管线圈结构；补偿线圈202数量、大小、线圈相互之间的位置关系因磁场可变均匀区的数目、长度及磁场压缩比例而定。通过改变外部电源与电流引线的连接方式，可以实现主线圈201和补偿线圈202之间串、并联的线圈组合结构，从而提供不同均匀区域的磁场，同时通过外部电源的调节，改变电流的幅值，调节磁场变化。

为了既保证线圈骨架的强度，同时降低磁体线圈骨架的传热温差，主线圈201采用无氧铜和不锈钢叠加而成的复合骨架203。复合骨架203上同时设计有一定数量的环氧浸渍槽204，保证线圈进行环氧浸渍时能够充分浸入线圈内部。在绕制过程中，采用恒张力绕线机进行线圈的自动绕线，通过均匀的绕线速度、排线均匀性等保证线圈的性能。线圈的层与层之间(层间绝缘)，匝与匝之间(匝间绝缘)及整个磁体的外围(对地绝缘)都是粘接结构，而超低温胶黏剂是指能在超低温下使用、并保持足够粘接强度的胶黏剂。待线圈绕制完成后，在线圈外额外绕制一层无氧铜丝205，以保证低温下超导线圈的收缩强度。待主线圈201和补偿线圈202制完成后，将两组线圈组成一个整体线圈105，再进行环氧真空浸渍，使得线圈成为一个整体，不留任何空隙，以防止导线运动。

如图3-1、3-2所示，气体收集板108是一种可以捕获低温气体分子的收集板，收集板采用活性碳粒301粘接在无氧铜板302上，收集板与制冷机104连接，并可被制冷机冷却到零下200℃。活性碳粒301在零下200℃时具有非常强的吸附能力，可以将真空密封罐101内参与的气体分子捕捉吸附，从而在真空密封罐101内实现超高真空，为超导线圈105稳定运行提供一个真空环境。活性炭粒的吸附能力和它的表面积成正比例关系，活性碳粒301通过低温胶粘接在无氧铜板302上时，低温胶会占据活性炭粒301的表面积，从而影响活性炭粒301的吸附能力。为提高活性炭粒301的吸附能力，本发明提出了一种锥面粘接方法，通过低温胶将活性炭粒301的锥面和无氧铜板302粘接，减小低温胶在活性炭粒301表面占据的面积，提高原有的吸附能力。

Claims (10)

1.主动屏蔽式低温超导磁体系统的实验装置，其特征在于：包括有真空密封罐、多层绝热层、防辐射铜屏、制冷机、超导线圈、导冷机构、吊杆支撑机构、气体收集板；所述的多层绝热层位于真空密封罐内部，防辐射铜屏位于多层绝热层内部，多层绝热层紧贴在防辐射铜屏的外表面上，超导线圈位于防辐射铜屏内部，且超导线圈通过吊杆支撑机构吊装在真空密封罐法兰上，位于真空密封罐外的制冷机的一级冷头穿过真空密封罐与防辐射铜屏热连接并提供冷量，制冷机的二级冷头穿过防辐射铜屏通过导冷机构和超导线圈相连接，气体收集板安装在制冷机的一级冷头上。

2.根据权利要求1所述的主动屏蔽式低温超导磁体系统的实验装置，其特征在于：所述的制冷机与防辐射铜屏、制冷机与导冷机构、导冷机构与超导线圈之间分别增加一层薄铟片。

3.根据权利要求1所述的主动屏蔽式低温超导磁体系统的实验装置，其特征在于：所述的超导线圈包括有一个用于产生均匀场的中心磁场的主线圈，主线圈外部的两端各放置一个用于调整磁场的分布补偿线圈，主线圈和补偿线圈分别绕制在复合骨架上，主线圈与补偿线圈采取串联组合。

4.根据权利要求3所述的主动屏蔽式低温超导磁体系统的实验装置，其特征在于：所述的复合骨架的端部沿径向开有多个环氧浸渍槽。

5.根据权利要求3所述的主动屏蔽式低温超导磁体系统的实验装置，其特征在于：所述的主线圈和补偿线圈外分别额外绕制一层无氧铜丝。

6.根据权利要求3所述的主动屏蔽式低温超导磁体系统的实验装置，其特征在于：所述的复合骨架采用由无氧铜和不锈钢叠加而成的复合骨架。

7.根据权利要求3所述的主动屏蔽式低温超导磁体系统的实验装置，其特征在于：所述的主线圈和补偿线圈均是由多个NbTi超导线绕制的螺线管线圈。

8.根据权利要求1所述的主动屏蔽式低温超导磁体系统的实验装置，其特征在于：所述的气体收集板包括有无氧铜板，无氧铜板上粘接有活性炭粒。

9.根据权利要求1所述的主动屏蔽式低温超导磁体系统的实验装置，其特征在于：所述的吊杆支撑机构由环氧玻璃钢材料制作而成。

10.根据权利要求1所述的主动屏蔽式低温超导磁体系统的实验装置，其特征在于：所述的导冷机构采用在低温下导热能力非常强的无氧铜丝加工制作而成。