CN111933383B - 一种采用全金属加固Polyhelix的超快冷却脉冲磁体及其制造方法 - Google Patents

一种采用全金属加固Polyhelix的超快冷却脉冲磁体及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用全金属加固Polyhelix的超快冷却脉冲磁体及其制造方法，属于脉冲强磁场技术领域。磁体包括：冷却模块和全金属加固Polyhelix结构；其中，冷却模块，采用迫流水冷的方式对全金属加固Polyhelix结构进行冷却；全金属加固Polyhelix结构包括多层同轴套接、相互串联的Polyhelix单元；各层Polyhelix单元存在间隙；每层Polyhelix单元是由多段分离的导体材料形成的柱体结构，高强度金属材料包裹该柱体结构，以对Polyhelix单元进行加固。本发明使用具有全金属加固、全自由分离的Polyhelix结构作为磁体的基本结构，保证了磁体结构强度，提高了磁体的散热能力；同时采用迫流水冷的冷却方式，进一步加快了磁体的冷却速率，实现了高力学强度和高冷却速率，便于产生高场强和高重复频率的脉冲磁场。

Description

一种采用全金属加固Polyhelix的超快冷却脉冲磁体及其制 造方法
技术领域
本发明属于脉冲强磁场技术领域，更具体地，涉及一种采用全金属加固Polyhelix的超快冷却脉冲磁体及其制造方法。
背景技术
强磁场技术目前已成为前沿科学研究中越来越重要的实验条件之一，同时，大功率太赫兹源、X射线衍射实验等大科学实验往往既需要高磁场强度和高重复频率的磁场来进行大量实验。对于磁体来说，高磁场强度和高重复频率要求即为良好力学性能和高冷却速率要求。
以太赫兹回旋管为例，根据其工作原理，若要实现1THz的基波回旋管，其要求谐振腔处的磁感应强度高达近40T，同时为了满足大量实验的需要，要求磁体的放电间隔足够小(达到秒级)。目前脉冲强磁体能够轻松实现50T以上的磁感应强度，最高可达100T。基于这项优点，俄罗斯IAP研究所成功实现1.02THz的基波回旋管的制造。但是传统脉冲磁体散热能力很低，磁体放电时间间隔很长(一个小时以上)，使得这类型的太赫兹回旋管无法重频工作，难以满足大量相关实验的使用需求。而现有的带冷却通道的绕线式快冷磁体虽然能够产生足够的磁场强度，但是冷却速率仍然较长，磁体放电时间间隔(数十上百分钟)仍然无法满足要求；传统的Bitter磁体和Polyhelix磁体冷却速度能够满足实验要求，但因力学性能不足无法产生足够的强磁场。
综上所述，上述方法都无法满足太赫兹回旋管的要求，亟需研制一种能产生高场强磁场的超快冷却脉冲磁体，以满足太赫兹系列实验的要求，进而提高实验效率。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种采用全金属加固Polyhelix的超快冷却脉冲磁体及其制造方法，其目的在于，产生高磁场强度、高重复频率的脉冲磁场，以满足大功率太赫兹源、X射线衍射等科学实验的需求。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种采用全金属加固Polyhelix的超快冷却脉冲磁体，包括：冷却模块和全金属加固Polyhelix结构；全金属加固Polyhelix结构浸没在冷却模块中，其出线端设置在冷却模块外，与外部电源连接；其中，全金属加固Polyhelix结构包括多层同轴套接、相互串联的Polyhelix单元；各层Polyhelix单元存在间隙；每层Polyhelix单元是由多段分离的导体材料形成的柱体结构，高强度金属材料包裹所述柱体结构，以对Polyhelix单元进行加固，加固后的Polyhelix单元分布有螺旋结构的匝道，匝道间填充有绝缘材料，引导电流沿匝道轨迹流动；所述高强度金属材料是指极限强度为1.3GPa以上的金属材料；
所述冷却模块，用于采用迫流水冷的方式对所述全金属加固Polyhelix结构进行冷却；
所述全金属加固Polyhelix结构，用于在所述外部电源提供的电压作用下产生脉冲磁场。
进一步地，每层Polyhelix单元中各段分离的导体材料，以及各层Polyhelix单元之间通过嵌入式转接环进行固定连接，实现串联。
优选地，所述Polyhelix单元采用铜作为导体材料。
优选地，采用高强度时效钢对Polyhelix单元进行加固。
可选地，所述冷却模块包括进水口、出水口和水冷容器；进水口设置在水冷容器下方，出水口设置在水冷容器上方；
在水泵的作用下，水流从进水口流入水冷容器，反重力方向流经所述全金属加固Polyhelix结构，从出水口流出。
可选地，外部电源提供的电压范围为14kV至25kV。
优选地，所述外部电源还提供续流回路，以降低全金属加固Polyhelix结构的发热量。
本发明另一方面还提供了一种采用全金属加固Polyhelix的超快冷却脉冲磁体制造方法，包括：
S1.以加工完成的各层加固金属管内径尺寸为基准，对相应层的Polyhelix单元外径进行加工，实现两者的过盈公差配合；其中，加固金属管指包裹Polyhelix单元的金属材料；
S2.将各层Polyhelix单元压入对应的固定金属管；
S3.控制加固后的各层Polyhelix单元进行螺旋运动，利用快走丝线切割方式对其进行切割，形成螺旋分布的匝道；
S4.进行匝道间绝缘材料的填充、层间转接环安装和接线端制作；具体包括，根据Polyhelix单元的内外半径制作对应规格的绝缘片圆环，将圆环剪开填入匝道间缝隙；嵌入式转接环在内外侧都设有与Polyhelix单元相嵌的结构，通过低温焊接确保层间稳固连接；铜制接线端利用螺栓紧固的方式将出线端与全金属加固Polyhelix结构的导体部分直接连接。
进一步地，步骤S2具体为，采用冷压复合的方式将各层Polyhelix单元压入对应的固定金属管。
进一步地，当Polyhelix单元与加固金属管的过盈公差为0.01mm至0.05mm时，先利用液氮冷却Polyhelix单元，再快速将其取出，利用液压机将其压入加固金属管；当Polyhelix单元与加固金属管的过盈公差为0.01mm以下时，采用常温下液压复合的方式将Polyhelix单元压入对应的固定金属管。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。
(1)相对于其他脉冲磁体装置，本发明使用具有全金属加固、全自由分离的Polyhelix结构作为超快冷却脉冲磁体的基本结构，使磁体具有更好的力学强度，避免了导体材料在受到较大磁场强度时产生严重形变，有效提高了磁体对磁场强度的耐受能力，满足了太赫兹系列实验的磁场强度需求；在保证磁体结构强度的同时，本发明采用迫流水冷的冷却方式，使水流反重力方向流向磁体，便于形成湍流，加快了磁体的冷却速率，便于产生高重复频率的脉冲磁场，满足了太赫兹系列实验的放电频率需求。
(2)相对于其他Polyhelix结构磁体的制作，本发明的制作工艺使用了了冷压复合的方式对加固金属管和管体进行压接，操作工序简单，成本低廉，且不会对材料性能造成不良影响；利用国内发展成熟的快走丝线切割方式实现螺旋切割，具体操作时仅需对普通快走丝线切割机安装旋转轴即可，具有操作简单、成本低廉的优势。
附图说明
图1是本发明实施例提供的采用全金属加固Polyhelix的超快冷却脉冲磁体立体结构图；
图2是本发明实施例提供的全金属加固Polyhelix结构示意图；
图3是本发明实施例提供的单次运行波形图，其中，(a)电压电流波形图；(b)磁感应强度和磁体平均温度波形图；
图4是本发明实施例提供的重频放电的情况下，磁感应强度和磁体平均温度的波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明通过使用具有全金属加固、全自由分离的Polyhelix结构作为超快冷却脉冲磁体的基本结构，在保证了磁体结构强度的同时提高了磁体的散热能力；通过采用迫流水冷的冷却方式，加快了磁体的冷却速率，实现了高力学强度和高冷却速率，便于产生高场强和高重复频率的脉冲磁场，以满足大功率太赫兹源、X射线衍射等科学实验的需求。
如图1所示，本发明实施例提供了一种采用全金属加固Polyhelix的超快冷却脉冲磁体，包括：冷却模块和全金属加固Polyhelix结构；全金属加固Polyhelix结构浸没在冷却模块中，其出线端设置在冷却模块外，与外部电源连接；
如图2所示，全金属加固Polyhelix结构包括多层同轴套接、相互串联的Polyhelix单元；各层Polyhelix单元存在间隙，使其在力学上解耦，处于自由分离状态，使磁体整体应力分布更均匀，磁体力学强度更好；每层Polyhelix单元是由多段分离的导体材料形成的柱体结构，高强度金属材料包裹所述柱体结构，以对Polyhelix单元进行加固；高强度金属材料具有良好的导热性能和力学性能，能够使Polyhelix单元耐受更高的磁场强度，同时具有良好的散热能力；本发明提到的高强度金属材料是指极限强度为1.3GPa以上的金属材料；本发明实施例对每层Polyhelix单元中各段分离的导体材料，以及各层Polyhelix单元之间通过嵌入式转接环进行固定连接，实现串联，并使其同轴且不发生相对位移。加固后的Polyhelix单元分布有螺旋结构的匝道，匝道间填充有绝缘材料，引导电流沿匝道轨迹流动；本发明实施例中，Polyhelix单元采用铜作为导体材料，分层加固的金属材料选用高强度时效钢，匝间绝缘材料选用绝缘片圆环。
全金属加固Polyhelix结构，在外部电源提供的电压作用下产生脉冲磁场。外部电源提供的电压大小根据场强决定，而场强由太赫兹实验中的要求决定，当要求磁体产生40T磁场时，对应的电压约为14kV，磁体最高承受场强对应的电压大概在25kV，因此，本发明要求外部电源提供的电压范围为14KV～25kV，可选地，本发明实施例利用高压电容器电源供电，并通过接入续流回路来降低磁体发热量。
冷却模块，用于采用迫流水冷的方式对所述全金属加固Polyhelix结构进行冷却；本发明实施例冷却模块包括进水口、出水口和水冷容器；进水口设置在水冷容器下方，出水口设置在水冷容器上方；在水泵的作用下，水流从进水口流入水冷容器，反重力方向流经全金属加固Polyhelix结构，以便形成湍流，从而实现更好的冷却效果，最终从出水口流出。
本发明实施例另一方面还提供了一种采用全金属加固Polyhelix的超快冷却脉冲磁体制造方法，包括：
S1.以加工完成的各层加固金属管内径尺寸为基准，对相应层的Polyhelix单元外径进行加工，实现两者的过盈公差配合；其中，加固金属管指包裹Polyhelix单元的金属材料；
具体地，由于内径的加工难度要比外径的加工难度高，并且高强度时效钢的硬度很大，先利用电火花穿孔和线切割完成加固金属管的加工，再以加工完成的加固金属管内径尺寸为基准，用车床对导体管的外径进行加工，完成二者之间的过盈公差配合，防止二者复合后出现滑移。
S2.将各层Polyhelix单元压入对应的固定金属管；
具体地，采用冷压复合的方式将各层Polyhelix单元压入对应的固定金属管，这种复合方式操作工序简单，成本低廉，且不会对材料性能造成不良影响。当Polyhelix单元与加固金属管的过盈公差为0.01mm至0.05mm时，先利用液氮冷却Polyhelix单元，再快速将其取出，利用液压机将其压入加固金属管；当Polyhelix单元与加固金属管的过盈公差为0.01mm以下时，采用常温下液压复合的方式将Polyhelix单元压入对应的固定金属管。
S3.控制加固后的各层Polyhelix单元进行螺旋运动，利用快走丝线切割方式对其进行切割，形成螺旋分布的匝道；
具体地，常用切割方式包括加工中心加工、激光切割和线切割等，采用加工中心的铣床、车床进行加固金属管切割时得到的切缝较宽，会导致力学性能降低、初始缺陷增大；采用激光切割，对反射率高的导体管切割效果差；而线切割则无以上缺点，考虑到加工成本，本发明选用国内发展成熟的快走丝线切割；对普通快走丝线切割机安装旋转轴，使全加固Polyhelix结构做螺旋运动。在切割过程中，需在Polyhelix结构前端使用托架支撑，避免下坠问题，为解决起刀点在管边缘造成的换向闭合性缺失问题，在管体边缘处设计了卡扣结构。
S4.进行匝道间绝缘材料的填充、层间转接环安装和接线端制作；具体包括，根据Polyhelix单元的内外半径制作对应规格的绝缘片圆环，将圆环剪开填入匝道间缝隙；嵌入式转接环在内外侧都设有与Polyhelix单元相嵌的结构，通过低温焊接确保层间稳固连接；铜制接线端利用螺栓紧固的方式将出线端与全金属加固Polyhelix结构的导体部分直接连接。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的超快冷却脉冲磁体能够产生高场强、高重复频率的脉冲磁场波形，现通过实例计算验证如下：
采用电源电压为14kV的电容器作为放电回路的电源，经计算可得单次放电时，磁体电流、磁体电压的波形如图3中的(a)所示，磁体电压峰值为4.43kV，可计算得到匝间压降为68V，满足绝缘耐压要求，磁感应强度、磁体平均温度的波形如图3中的(b)所示；可以看出，放电过程中磁体电流峰值为50.64kA对应的磁感应强度为40.74T，满足40T的设计要求；磁体平均温升约为16K，说明运行过程中磁体温度一直处于磁体承受范围400K以内。
重频放电时，其放电过程温度、磁场变化曲线如图4所示。受冷却水和仿真计算误差的影响，磁体系统单次运行后的平均温升略有降低，而产生的磁场强度不变。计算结果显示，超快冷却脉冲磁体系统的放电时间间隔可以缩短到10s，成功实现了高重复频率放电。
且经实验验证，电流峰值条件下，磁体中铜的最大应力、高强度时效钢中最大应力和绝缘片圆环中最大应力都低于其承受能力，验证了本发明提供的磁体结构强度满足实验要求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种采用全金属加固Polyhelix的超快冷却脉冲磁体制造方法，其特征在于，包括：
S1.以加工完成的各层加固金属管内径尺寸为基准，对相应层的Polyhelix单元外径进行加工，实现两者的过盈公差配合；其中，加固金属管指包裹Polyhelix单元的金属材料；
S2.将各层Polyhelix单元压入对应的固定金属管；
S3.控制加固后的各层Polyhelix单元进行螺旋运动，利用快走丝线切割方式对其进行切割，形成螺旋分布的匝道；
S4.进行匝道间绝缘材料的填充、层间转接环安装和接线端制作；具体包括，根据Polyhelix单元的内外半径制作对应规格的绝缘片圆环，将圆环剪开填入匝道间缝隙；嵌入式转接环在内外侧都设有与Polyhelix单元相嵌的结构，通过低温焊接确保层间稳固连接；铜制接线端利用螺栓紧固的方式将出线端与全金属加固Polyhelix结构的导体部分直接连接。
2.根据权利要求1所述的一种采用全金属加固Polyhelix的超快冷却脉冲磁体制造方法，其特征在于，步骤S2具体为，采用冷压复合的方式将各层Polyhelix单元压入对应的固定金属管。
3.根据权利要求1所述的一种采用全金属加固Polyhelix的超快冷却脉冲磁体制造方法，其特征在于，当Polyhelix单元与加固金属管的过盈公差为0.01mm至0.05mm时，先利用液氮冷却Polyhelix单元，再快速将其取出，利用液压机将其压入加固金属管；当Polyhelix单元与加固金属管的过盈公差为0.01mm以下时，采用常温下液压复合的方式将Polyhelix单元压入对应的固定金属管。
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