CN108956666A - 一种应用于中子散射实验的分离超导磁体结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于中子散射实验的分离超导磁体结构，包括有位于中心位置用于放置测试样品管竖向中空的测试腔，测试腔外的上下端分别设有两相互对应的上、下液氦密闭容器，上、下液氦密闭容器之间通过多个楔形块支撑隔开，上、下液氦密闭容器分别由氦槽内筒壁、氦槽外筒壁、线圈支撑板、盖板以及密封板组成，氦槽内筒壁、线圈支撑板、盖板组成的腔体内分别放置有超导线圈且通过螺杆连接为一体，其外端部通过氦槽外筒壁和密封板封装，所述线圈支撑板的端面上分别卡装有铝环，线圈支撑板之间还设有用于连通上、下液氦密闭容器的连通管。本发明的分离磁体结构简单、紧凑，安装、运行、维护方便，且对该类型磁体具有普遍通用性。

Description

一种应用于中子散射实验的分离超导磁体结构

技术领域：

本发明属于超导电工技术领域，主要涉及一种应用于中子散射实验的分离超导磁体结构，适用于物性研究的中子强磁场散射实验，是一种该实验的一种必备工具。

背景技术：

强磁场作为一种极端条件，能有效地诱导自旋轨道有序，改变电子结构和原子分子间的相互作用，使之出现新的物质状态、新的物理化学现象与效应，在多学科研究领域起着越来越重要的作用。中子是弹性和非弹性散射实验探测材料磁结构及其动力学的理想工具，中子散射只有结合强磁场才能对材料在时间和空间上的磁关联做深入细致的研究，有助于解决物理、化学、生物、材料科学等研究领域的前沿热门问题，已为高温超导电性的微观起源，高温超导体的磁特性以及电子-晶格耦合特征，量子临界、自旋霍尔效应和重费米子等量子行为，电子、自旋等量子调控，以及d电子和f电子的磁有序、磁相变等磁行为的研究提供了大量科学实验依据。故中子实验原位外加磁场是探测磁有序材料新特性新现象必不可少的参数，且外加磁场必须与材料内部磁相互作用能量的量级相匹配，这就需要高达十几T甚至更高的强磁场环境。

中子散射磁体系统作为一种能够提供这样极端条件的强磁场样品环境，是凝聚态量子材料等磁性前沿研究的理想工具平台。这类磁体结构的特点是，磁体的线圈是上下对称的螺线管，提供强磁场下中子散射的样品空间，一般设计在磁体中心部位（因为有磁场均匀度要求），同时样品空间的竖直方向要求中空（假设磁体线圈螺线管中轴线垂直地面放置），以便插入放置真空样品管；水平方向上有大范围中子散射角度要求，意味着在样品空间周围的容许圆周角度上，不能有阻挡中子射入射出以及散射的结构存在，同时该散射范围还有上下张角要求。

总体来讲，磁体线圈的分布形式是上下对称结构，上下之间的中间部分，包含了样品空间、带有张角的中子入射/散射通道；中子入射/散射通道上，只有在水平散射角度之外（即暗角），才有可能是布置上下磁体支撑的范围。而通常情况下中子散射的范围要求比较大，暗角范围一般很小，而且在工作状态，上下磁体线圈会产生的巨大电磁吸引力。

目前，对于此类超导磁体设计，结构上的难点是如何在有限的空间内，保证样品空间的使用范围；且在巨大电磁力下，保证结构各部件变形量最小，且不产生屈服变形；同时结构上的设计将直接导致线圈的安装位置和磁场均匀度设计值的变化。散射范围越大，能够利用的支撑空间越小，又要承受巨大载荷，这是一对矛盾。结构设计是该类超导磁体设计成功与否的关键因素。

综上所述，应用于中子散射实验的超导磁体由于中子散射的特定要求，需要开发、设计一种新型的结构，以便满足实验的诸多需求。

发明内容：

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种应用于中子散射实验的分离超导磁体结构，一套切实可行的结构方案，满足中子散射实验磁体的各项技术要求，其结构简单、紧凑，安装、运行、维护方便，且对该类型磁体具有普遍通用性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种应用于中子散射实验的分离超导磁体结构，包括有位于中心位置竖向中空的用于放置测试样品管的测试腔，其特征在于：所述测试腔外的上下端分别设有两相互对应的上、下液氦密闭容器，所述上、下液氦密闭容器之间通过多个楔形块支撑隔开，所述上、下液氦密闭容器分别由氦槽内筒壁、氦槽外筒壁、线圈支撑板、盖板以及密封板组成，所述氦槽内筒壁、线圈支撑板、盖板组成的腔体内分别放置有超导线圈且通过螺杆连接为一体，其外端部通过氦槽外筒壁和密封板封装，所述楔形块支撑的上下端面分别与上、下液氦密闭容器对应的线圈支撑板面接触配合，所述上、下液氦密闭容器的线圈支撑板之间设置有铝环以及用于连通上、下液氦密闭容器的连通管。

所述的线圈支撑板用于安装超导线圈的一面为台阶状。

所述的超导线圈包括有线圈和线圈骨架，所述线圈骨架一端面依次分别与线圈支撑板对应处的台阶接触配合，且其之间通过圆柱销定位，所述各超导线圈骨架的另一端部在同一个平面上。

所述的在同一个平面上的骨架通过盖板固定，其盖板圆周边缘区域与线圈支撑板圆周边缘区域进行螺杆拉拔预紧，所述螺杆位置圆周均匀分布。

所述的线圈支撑板与氦槽内筒壁、氦槽外筒壁、密封板进行焊接，形成一个液氦密闭容器，将固定在线圈支撑板上的各超导线圈容纳进去。

所述的楔形块支撑俯视为扇形，上下两面为弧形面，各楔形块支撑同轴心，楔形块支撑的上下两个弧形面分别与上下两个线圈支撑板的圆锥面进行面接触，且用圆柱销定位，其接触边缝焊接。

所述的铝环圆周排列与楔形块支撑同轴心，其截面为矩形，所述铝环每一段端面与楔形块支撑侧面贴合接触，且放置于上下两个线圈支撑板预先加工好的卡环槽里。

所述的在与中子入射、出射通道对应的铝环上开有矩形孔。

所述的铝环呈多组圆周式间隔分布的结构，且每个铝环上矩形孔的中心位置与中子入射、出射通道在同一条直线上，其出射一侧的铝环矩形孔沿着出射方向逐渐增大，入射一侧的铝环矩形孔沿着入射方向逐渐减小，两侧沿中心轴线对称。

所述的连通管为多个，其是用于连通上下两个超导线圈密闭液氦容器的通道，同时也是超导线圈引线、测量线的通道，多个连通管分别焊接在上下两个线圈支撑板圆周边缘位置上。

在上述技术方案中：

线圈支撑板在磁体系统里起到承载各个线圈（含线圈骨架）排布的作用，且与氦槽内外筒壁、上密封板焊接形成液氦密闭容器，将超导线圈容纳进去；在本发明中，它是各线圈的固定部件，也是该磁体结构的装配基准。

线圈支撑板的一个端面呈阶梯形，每一个台阶与各线圈骨架下侧面接触，保证各个线圈在空间中呈阶梯分布，以便达成磁场要求；且使得各线圈骨架的一端面同在一个平面上。线圈支撑板与线圈骨架有圆柱销钉定位。上盖板放置于各线圈的上侧面上，同时在圆周边缘位置，用螺杆将线圈支撑板进行拉拔预紧，从而将各超导线圈固定在线圈支撑板上。

线圈支撑板的另一端面呈圆锥面，与楔形块、铝环接触。与楔形块面接触，同样是圆柱销定位。与铝环的接触，是放置在线圈支撑板预先加工好的矩形槽（卡环槽）里面。

两个线圈支撑板之间的部件，有楔形块支撑、铝环进行支撑，同时还有连通上下液氦密闭容器的小型连通管、以及线圈引出线、测量线的连通管；这些连通管分别与两个线圈支撑板焊接，以便连通上下液氦密闭区域。连通管的焊接位置在线圈支撑板的圆周边缘位置区域，以不妨碍螺杆、线圈骨架、氦槽外筒壁为宜，且楔形块与连通管要放置在暗角范围内，在散射范围内布置铝环。

楔形块支撑俯视为扇形，各个楔形块支撑同轴心，水平看上下两面对称分布，上下夹角为狭缝开隙夹角，楔形块支撑的分布根据暗角要求调整，一般规则为上下左右对称。楔形块与线圈支撑板的联接除圆柱销定位外，在二者接触面边缝进行焊接处理。

铝环截面呈矩形，采用对中子有着良好穿透性的铝合金材料。铝环的层数与厚度视上下磁力大小而增加减小，铝环与线圈支撑板同轴心，如果是多层铝环仍然要保证全部同轴心。每一层铝环分成几段，每一段的端面与楔形块支撑侧面接触。铝环上下面与线圈支撑板卡环槽的面接触，要尽量保证其贴合完整；与此同时，铝环的上端面依次排列成一角度（开隙角度）。实际上铝环中间也有矩形孔，中子入射通道与出射通道在一条直线上，每个铝环的矩形孔中心也呈一条直线，每个铝环的孔的大小尺寸组合起来也呈一定的张角，但角度不是上下支撑板间的上下张角（即开隙角度）。

本发明的优点是：

1．该结构原理简单、工艺成熟，适用于中子不同的中子散射角度与开隙角度，可以承受高场强、上下线圈的大电磁力、测量误差小，并且可以方便调节场强、更换样品进行多工况实验研究等特性，能够满足中子散射实验样品环境的需求，具有重要的现实意义和科学研究意义。

2. 采用不锈钢楔形块与铝环的组合，在满足磁体大面积散射范围的要求的同时，可以承受上下线圈产生的巨大载荷，各部件的变形量最小，而且磁体安装、拆卸、运行维护比较方便。

3. 该类型结构具有通用性，可适用于各种磁场强度的中子散射磁体；具体做法是，如果场强太高导致电磁力过大，可以多个铝环圆周排列，以便承载过多载荷；

附图说明：

图1为本发明的中子散射超导磁体结构示意图（剖视图）。

图2为去除上半部分线圈、液氦槽、线圈支撑板测试腔后，内部结构的俯视图（示意图）。

结合附图，本发明实施例附图中各标记所对应的名称如下：

1-测试腔；2-密封板；3-线圈氦槽内筒壁；4-盖板；5-线圈骨架；6-螺杆；7-线圈氦槽外筒壁；8-楔形块支撑；9-线圈支撑板；10-圆柱销；11-圆柱形样品测试区；12-连通管；13-铝环，14-矩形孔。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明的优选实例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种应用于中子散射实验的分离超导磁体结构，包括有位于中心位置竖向中空的测试腔1（其是用于放置测试样品管，起到屏蔽热传导与热辐射的冷屏），所述测试腔1中部为圆柱形样品测试区11，所述测试腔1外的上下端分别设有两相互对应的上、下液氦密闭容器，所述上、下液氦密闭容器之间通过多个楔形块支撑8支撑隔开，所述上、下液氦密闭容器分别由氦槽内筒壁3、氦槽外筒壁7、线圈支撑板9、盖板4以及密封板2组成，所述氦槽内筒壁3、线圈支撑板9、盖板4组成的腔体内分别放置有超导线圈且通过螺杆6连接为一体，其外端部通过氦槽外筒壁7和密封板2封装，所述楔形块支撑8的上下端面分别与上、下液氦密闭容器对应的线圈支撑板9面接触配合，所述线圈支撑板9的端面上分别卡装有铝环13，所述线圈支撑板9之间还设有用于连通上、下液氦密闭容器的连通管12。

所述的线圈支撑板9用于安装超导线圈的一面为台阶状。

所述的超导线圈包括有线圈和线圈骨架5，所述线圈骨架5一端面依次分别与线圈支撑板9对应处的台阶接触配合，并按次序依次排列放置于线圈支撑板9的台阶上，确定好位置后，在线圈骨架5与线圈支撑板9的接触面上制作圆柱定位销，该定位销具有工作状态定位与装配定位的双重作用，所述各超导线圈骨架的另一端部在同一个平面上。

所述的在同一个平面上的骨架通过盖板固定，其盖板圆周边缘区域与线圈支撑板圆周边缘区域进行螺杆拉拔预紧，所述螺杆位置圆周均匀分布。

所述的线圈支撑板9与氦槽内筒壁3、氦槽外筒壁7、密封板2进行焊接，形成一个液氦密闭容器，将固定在线圈支撑板上的各超导线圈容纳进去。

所述的楔形块支撑8俯视为扇形，上下两面为弧形面，各楔形块支撑同轴心，楔形块支撑8的上下两个弧形面分别与上下两个线圈支撑板9的圆锥面进行面接触，且用圆柱销定位，其接触边缝焊接。

所述的铝环13与楔形块支撑同轴心，其截面为矩形，所述铝环13每一段端面与楔形块支撑8侧面贴合接触，且放置于上下两个线圈支撑板9预先加工好的卡环槽里。各段铝环13放置在线圈支撑板预先加工好的卡环槽里面。当一切都安装焊接妥当之后，最后焊接联通上下液氦密闭容器的连通管12。

所述的在与中子入射、出射通道对应的铝环上开有矩形孔14。

所述的铝环13呈多组圆周式间隔分布的结构，且每个铝环13上矩形孔14的中心位置与中子入射、出射通道在同一条直线上，其出射一侧的铝环矩形孔沿着出射方向逐渐增大，入射一侧的铝环矩形孔沿着入射方向逐渐减小，两侧沿中心轴线对称。

所述的连通管12为多个，其目的是用于连通上下两个超导线圈密闭液氦容器的通道，同时也是超导线圈引线、测量线的通道，多个连通管分别焊接在上下两个线圈支撑板圆周边缘位置上。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而言，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (10)

1.一种应用于中子散射实验的分离超导磁体结构，包括有位于中心位置竖向中空的用于放置测试样品管的测试腔，其特征在于：所述测试腔外的上下端分别设有两相互对应的上、下液氦密闭容器，所述上、下液氦密闭容器之间通过多个楔形块支撑隔开，所述上、下液氦密闭容器分别由氦槽内筒壁、氦槽外筒壁、线圈支撑板、盖板以及密封板组成，所述氦槽内筒壁、线圈支撑板、盖板组成的腔体内分别放置有超导线圈且通过螺杆连接为一体，其外端部通过氦槽外筒壁和密封板封装，所述楔形块支撑的上下端面分别与上、下液氦密闭容器对应的线圈支撑板面接触配合，所述上、下液氦密闭容器的线圈支撑板之间设置有铝环以及用于连通上、下液氦密闭容器的连通管。

2.根据权利要求1所述的应用于中子散射实验的分离超导磁体结构，其特征在于：所述的线圈支撑板用于安装超导线圈的一面为台阶状。

3.根据权利要求2所述的应用于中子散射实验的分离超导磁体结构，其特征在于：所述的超导线圈包括有线圈和线圈骨架，所述线圈骨架一端面依次分别与线圈支撑板对应处的台阶接触配合，且线圈骨架与线圈支撑板之间通过圆柱销定位，所述各超导线圈骨架的另一端部在同一个平面上。

4.根据权利要求3所述的应用于中子散射实验的分离超导磁体结构，其特征在于：所述的在同一个平面上的骨架通过盖板固定，盖板圆周边缘区域与线圈支撑板圆周边缘区域进行螺杆拉拔预紧，所述螺杆位置圆周均匀分布。

5.根据权利要求1所述的应用于中子散射实验的分离超导磁体结构，其特征在于：所述的线圈支撑板与氦槽内筒壁、氦槽外筒壁、密封板进行焊接，形成一个液氦密闭容器，将固定在线圈支撑板上的各超导线圈容纳进去。

6.根据权利要求1所述的应用于中子散射实验的分离超导磁体结构，其特征在于：所述的楔形块支撑俯视为扇形，上下两面为弧形面，各楔形块支撑同轴心，楔形块支撑的上下两个弧形面分别与上下两个线圈支撑板的圆锥面进行面接触，且用圆柱销定位，其接触边缝焊接。

7.根据权利要求6所述的应用于中子散射实验的分离超导磁体结构，其特征在于：所述的铝环圆周排列与楔形块支撑同轴心，且两者间隔设置，所述铝环每一段端面与楔形块支撑侧面贴合接触，且卡装于上下两个线圈支撑板预先加工好的卡环槽里。

8.根据权利要求7所述的应用于中子散射实验的分离超导磁体结构，其特征在于：所述的在与中子入射、出射通道对应的铝环上开有矩形孔。

9.根据权利要求8所述的应用于中子散射实验的分离超导磁体结构，其特征在于：所述的铝环呈多组圆周式间隔分布的结构，且每个铝环上矩形孔的中心位置与中子入射、出射通道在同一条直线上，其出射一侧的铝环矩形孔沿着出射方向逐渐增大，入射一侧的铝环矩形孔沿着入射方向逐渐减小，两侧沿中心轴线对称。

10.根据权利要求1所述的应用于中子散射实验的分离超导磁体结构，其特征在于：所述的连通管为多个，其为连通上下两个超导线圈密闭液氦容器的通道，同时也是超导线圈引线、测量线的通道，多个连通管分别焊接在上下两个线圈支撑板圆周边缘位置上。