CN111477423A

CN111477423A - 一种dct超导磁体结构

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Publication number: CN111477423A
Application number: CN202010418735.1A
Authority: CN
Inventors: 吴巍; 梅恩铭; 梁羽; 陈玉泉; 尤玮
Original assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Current assignee: Institute of Modern Physics of CAS
Priority date: 2020-05-18
Filing date: 2020-05-18
Publication date: 2020-07-31

Abstract

本发明涉及一种DCT超导磁体结构，其特征在于，包括由若干单极线圈围设成的筒式电磁线，所述筒式电磁线固化在骨架上形成磁体结构，所述单极线圈之间串联连接；其中，每一所述单极线圈包括间隔环绕设置的N匝电磁线圈，其中，N为整数，是设定的单极线圈的总电磁线匝数。本发明提出的DCT超导磁体结构无需铁芯即可得到较高质量的多极磁场，筒式结构可实现多层嵌套结构，可适用于不同孔径不同磁场要求的领域，具有很宽广的应用空间。

Description

一种DCT超导磁体结构

技术领域

本发明涉及一种磁体结构，特别是关于一种可以产生高质量磁场的DCT(DiscreteCosine Theta离散型余弦电流分布)超导磁体结构。

背景技术

电磁线圈被广泛应用于社会各领域，从与日常生活息息相关的电磁炉，到医疗设备MRI，再从小学生的科普道具到科学家的大型加速器科学装置，电磁线圈一直默默服务人类。随着科学技术的发展，电磁线圈经历了从低效低能的常导线圈到高效高能的超导磁体的应用发展；同时驱动于工业社会及科学技术发展的需求，尤其是当代粒子加速器磁体的需求，对电磁线圈的结构设计有了更高要求，例如激励高质量的多极场或者激励具有特殊场形的组合磁场。

目前常见的线圈结构有螺线管、跑道型线圈、马鞍形及斜螺管(CCT)型等结构，理论上所有需要的磁场都可以用这些线圈结构优化组合近似得到，例如两个平行的螺线管在间隙中产生近似理想二极场；四个旋转对称排布的跑道型线圈可产生一个四极透镜场等等；除CCT线圈外，其余磁体结构组合所近似的磁场含有很多本底多极量，磁场质量很差，通常需要增加复杂的垫补线圈来实现磁场的高质量需求，CCT线圈虽然可以在温孔区产生高质量多极场，但其需要对同时激励的螺线管场进行抵消，导致该结构的激磁效率不高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于超导多股缆的可以产生高场、高均匀度且结构紧凑的DCT超导磁体结构。

为了解决上述问题，本发明采用的技术方案为：一种DCT超导磁体结构，包括由若干单极线圈围设成的筒式电磁线，所述筒式电磁线固化在骨架上形成筒式磁体结构，所述单极线圈之间串联连接；

其中，每一所述单极线圈包括间隔环绕设置的N匝电磁线圈，其中，N为整数，是设定的单极线圈的总电磁线匝数。

上述的DCT超导磁体结构，进一步地，所述筒式电磁线的电流密度J在环向分布近似呈cos(mθ)的规律分布，即j_z＝j₀cos(mθ)，其中，j₀为通过电磁线横截面内的电流密度，j_z为环向分布的等效电流密度Z分量，m为磁场设计所要求的2m极磁场，θ是以x轴为起点，绕Z轴逆时针旋转的角度，以二极DCT线圈为例，其中，筒轴向为Z轴，线圈极头方向为Y轴，线圈极间对称面上垂直于Z轴的方向为X轴，XYZ组成笛卡尔坐标系。

上述的DCT超导磁体结构，进一步地，所述筒式电磁线在环向的位置分布满足流函数sin(mθ)＝(i-1/2)/N，其中，i为电磁线序号，为{1，N}之间的任意整数。

上述的DCT超导磁体结构，进一步地，电流线角度分布θ_i＝Arcsin((i-1/2)/N)/m。

上述的DCT超导磁体结构，进一步地，所述筒式电磁线各匝的直边段坐标为(Rcos(mθ_i)，Rsin(mθ_i)，z)，其中，R为电磁线在极坐标系下分布的半径，筒式电磁线各匝连续要求的弧段其坐标z满足流函数：cos(π·(z-hl)/(2·he))·sin(mθ)＝(i-1/2)/N，其中，hl指直边段长度的一半，he指线圈弧段在z方向的最大长度。

上述的DCT超导磁体结构，进一步地，所述DCT超导磁体结构可以多层嵌套组合，采用多个同轴不同R的DCT超导磁体结构组合成具有设定磁场要求的磁体，多层组合DCT超导磁体结构可采用串联或并联连接加电，也可各自独立加电，其中，R为电磁线在极坐标系下分布的半径。

上述的DCT超导磁体结构，进一步地，各匝线圈采用超导多股缆制作。

上述的DCT超导磁体结构，进一步地，所述超导多股缆为多根无绝缘超导线扭绞或编制而成。

上述的DCT超导磁体结构，进一步地，所述超导多股缆为多根带绝缘的超导线扭绞或编制而成。

上述的DCT超导磁体结构，进一步地，所述单极线圈通过一根连续的电磁导线绕制而成，N匝电磁线圈的匝间过渡方式采用弧段交叉过渡、直边段延长过渡或直边段交叉过渡。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明提出一种DCT型超导磁体结构，其等效电流密度Jz在环向近似以cos(mθ)的规律分布，理论上这种电流密度分布所激励的磁场具有天然的纯2m极量，相比于CCT线圈通过抵消场轴向分量的多极场产生机制，DCT线圈的激磁效率高很多；

2、本发明的DCT超导线圈无需铁芯即可得到较高质量的多极磁场；

3、本发明的DCT超导线圈是由若干单极线圈围设成的筒式电磁线，筒式电磁线可实现多层嵌套结构，适用于不同孔径不同磁场要求的领域，可实现多功能组合型磁体的紧凑化设计，具有很宽广的应用空间；

4、本发明的各匝线圈可以采用超导多股缆制作，在超导磁体领域，筒式嵌套结构更易于实现电流密度的分层优化设计，使超导线材的激磁效率最大化；

5、本发明的采用超导多股缆制作，可有效提高激磁所需的工程电流密度，同时更有利于实施开槽镶线的精准布线磁体制作工艺，对于由多根带绝缘超导线扭绞或编制而成的超导缆，通过各单根线的首尾相接的串联方式，可大幅降低磁体对电源配置的要求，进而大幅降低相关设备的研制或购置费用；

综上，在科学快速发展的当下，本发明提供的DCT超导磁体结构为高场、高均匀度和紧凑化的磁体结构需求提供了可能。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例的DCT超导磁体结构在XY平面第一象限中依次二极磁体、四极磁体、六极磁体和八极磁体对应的电流线位置分布示意图；

图2为本发明实施例的DCT型二极场磁体结构示意图；

图3为本发明实施例的DCT型四极场磁体结构示意图；

图4为本发明实施例的DCT型六极场磁体结构示意图；

图5为本发明实施例的DCT型八极场磁体结构示意图。

图6为本发明实施例单极线圈的电流线匝间过渡方案示意图；

图7为本发明实施例所使用的两种典型的具有不同单股线绝缘方式的“7股”超导缆示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

如图1、图2所示，本实施例提供的DCT超导磁体结构，包括若干单极线圈1围设成筒式电磁线，其中，筒式电磁线固化在圆柱骨架上形成筒式磁体结构，单极线圈1之间相互串联连接，每一单极线圈1包括间隔环绕设置的N匝电磁线圈，其中，N为正整数，是指设定的每层单极线圈1的总电磁线匝数。筒式电磁线分布易于实现具有不同R的DCT磁体结构的嵌套，即易于实现磁体的性能增强或者组合功能设计。

进一步地，本实施例依据电流密度呈cos(mθ)分布可产生纯2m极磁场的原理，采用DCT线圈结构以离散电流线位置的方式近似实现电流密度的cos(mθ)分布需求，其中，筒式电磁线的等效电流密度j_z在环向分布近似呈cos(mθ)规律分布，即j_z＝j₀cos(mθ)，其中，j₀为通过电磁线横截面的电流密度，j_z为环向分布的等效电流密度Z分量，为纯2m极磁场真正所需的电流。m指线圈由2m个单极构成，θ指以X轴为起始轴，绕Z轴逆时针旋转的角度，以二极DCT线圈为例，说明坐标系XYZ代表方向，筒轴向为Z轴，二极线圈极头方向为Y轴，二极DCT线圈极间对称面上垂直于Z轴的方向为X轴，XYZ共同组成笛卡尔坐标系。当然为了描述方便，本实施例的X轴、Y轴和Z轴仅作为三个坐标轴的区分性阐述，实际使用中不应被上述名称所限制，可以根据实际需要定义各坐标轴的名称。

进一步地，筒式电磁线在环向(指沿θ增长的方向)的位置分布满足流函数sin(mθ)＝(i-1/2)/N分布，i为电磁线序号，为{1，N}之间的任意整数；θ为对应于第i匝电磁线的位置角度。通过流函数可得到2m极磁场所需的电流线角度分布为θ_i＝Arcsin((i-1/2)/N)/m。由此，筒式电磁线各匝的直边段坐标为(Rcos(mθ_i)，Rsin(mθ_i)，z)，R为电磁线在极坐标下分布的半径；筒式电磁线各匝连续要求的弧段，其坐标z满足流函数：cos(π·(z-hl)/(2·he))·sin(mθ)＝(i-1/2)/N，以修正非无限长线圈的尾场效应，从而使磁体的整体积分场质量最佳，其中，hl指直边段长度的一半；he指线圈弧段在z方向的最大长度；弧段电磁线位置可依需求设置不同的流函数，例如相邻匝一致间距分布(相邻匝间距始终保持一致)或弧段最远端等间距分布等(仅对弧段最远端匝间距控制，以保证最佳匝密度而不至匝间空间干涉)。

进一步地，如2～5所示，当m取不同正整数，DCT线圈可以得到纯2m极磁场，具体为：

如图1所示，m＝1时，可设计得到一个，在电磁线所包围(gap)空间以较高均匀度分布的二极磁场；

如图2所示，m＝2时，可设计得到一个，在电磁线所包围(gap)空间具有较高梯度场质量的四极磁场；

如图3所示，m＝3时，可设计得到一个，在电磁线所包围(gap)空间具有较高二阶梯度场质量的六极磁场；

如图4所示，m＝4时，可设计得到一个，在电磁线所包围(gap)空间具有较高二阶梯度场质量的八极磁场；

……

以此类推，利用m的取值，可得到任意2m极磁体，且相较于其他线圈类型的2m极磁体，其具有天然的较高场质量。

进一步地，本实施例的DCT线圈可以多层嵌套组合，即设置一系列具有递增R的DCT线圈来实现gap区的磁场增强或者多功能组合作用，磁场增强指多个同轴不同R的2m极DCT线圈共同激励以实现磁场增强效果；多功能组合指多个同轴不同R且不同m的DCT线圈组合成具有特殊场形要求的磁体，如二极DCT和四极DCT组合等，所述多层组合DCT线圈可串联或并联连接加电，也可各自独立加电。

进一步的，如图6所示，DCT超导磁体结构的单极线圈在具体实施过程中，需要设计必要的匝间过渡，以实现可以通过一根连续的电磁导线绕制完成所需的线圈结构，这种匝间过渡方式可以选取任意方式，如图6(a)所示的弧段交叉过渡，图6(b)所示的直边段延长过渡或者如图6(c)所示的直边段交叉过渡等方式。

进一步地，各匝线圈电磁线使用多股超导缆制作，例如7股超导绞缆等，超导材料例如NbTi，Nb₃Sn等，以此为例，不限于此。如图7(a)所示，超导多股缆可以采用多根无绝缘超导线扭绞或编制而成；或者，如图7(b)所示，超导多股缆还可以采用多根带绝缘的超导线扭绞或编制而成。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims

1.一种DCT超导磁体结构，其特征在于，包括由若干单极线圈围设成的筒式电磁线，所述筒式电磁线固化在骨架上形成筒式磁体结构，所述单极线圈之间串联连接；

2.根据权利要求1所述的DCT超导磁体结构，其特征在于，所述筒式电磁线的电流密度J在环向分布近似呈cos(mθ)的规律分布，即j_z＝j₀cos(mθ)，其中，j₀为通过电磁线横截面内的电流密度，j_z为环向分布的等效电流密度Z分量，m为磁场设计所要求的2m极磁场，θ是以x轴为起点，绕Z轴逆时针旋转的角度，以二极DCT线圈为例，其中，筒轴向为Z轴，线圈极头方向为Y轴，线圈极间对称面上垂直于Z轴的方向为X轴，XYZ组成笛卡尔坐标系。

3.根据权利要求2所述的DCT超导磁体结构，其特征在于，所述筒式电磁线在环向的位置分布满足流函数sin(mθ)＝(i-1/2)/N，其中，i为电磁线序号，为{1，N}之间的任意整数。

4.根据权利要求3所述的DCT超导磁体结构，其特征在于，电流线角度分布θ_i＝Arcsin((i-1/2)/N)/m。

5.根据权利要求4所述的DCT超导磁体结构，其特征在于，所述筒式电磁线各匝的直边段坐标为(Rcos(mθ_i)，Rsin(mθ_i)，z)，其中，R为电磁线在极坐标系下分布的半径，筒式电磁线各匝连续要求的弧段其坐标z满足流函数：cos(π·(z-hl)/(2·he))·sin(mθ)＝(i-1/2)/N，其中，hl指直边段长度的一半，he指线圈弧段在z方向的最大长度。

6.根据权利要求1～5任一项所述的DCT超导磁体结构，其特征在于，所述DCT超导磁体结构可以多层嵌套组合，采用多个同轴不同R的DCT超导磁体结构组合成具有设定磁场要求的磁体，多层组合DCT超导磁体结构可采用串联或并联连接加电，也可各自独立加电，其中，R为电磁线在极坐标系下分布的半径。

7.根据权利要求1～5任一项所述的DCT超导磁体结构，其特征在于，各匝线圈采用超导多股缆制作。

8.根据权利要求7所述的DCT超导磁体结构，其特征在于，所述超导多股缆为多根无绝缘超导线扭绞或编制而成。

9.根据权利要求7所述的DCT超导磁体结构，其特征在于，所述超导多股缆为多根带绝缘的超导线扭绞或编制而成。

10.根据权利要求1～9任一项所述的DCT超导磁体结构，其特征在于，所述单极线圈通过一根连续的电磁导线绕制而成，N匝电磁线圈的匝间过渡方式采用弧段交叉过渡、直边段延长过渡或直边段交叉过渡。