CN1138876C - 超导磁铁装置 - Google Patents

Abstract

一种超导磁铁装置，包括：真空容器；两个沿真空容器轴向相互对置的环形超导线圈；以及支承两个超导线圈的支承结构。支承结构包括沿真空容器轴向将两个超导线圈连接起来的线圈连接体和整体支承两个经线圈连接体相连的超导线圈的支承体，通过支承体把两个超导线圈安装到真空容器中。

Description

超导磁铁装置

本发明涉及半导体单晶拉晶装置用的超导磁铁装置，尤其涉及产生具有受控磁场分布的会切磁场的超导线圈排斥力支承机构。

通常，超导磁铁装置主要用于半导体单晶的拉晶装置并以这样的方式设计而成，即设置两个在轴上相互对置的电串联连接的环形超导线圈，通过以相反极性使线圈磁化产生所谓的会切型磁场。图12示出其中一例。

在图12所示的超导磁铁装置中，沿环形真空容器102中开口OP轴向AX在上下位置处设置两个相互对置的电串联连接的环形超导线圈(下面简称为线圈)101a和101b，从外部激励电源(未示出)给线圈101a和101b提供电流。

这时，由于相同的电流流过两个线圈101a和101b，因此在磁铁中产生相对于两个线圈101a和101b中性线A1对称的磁场，即，图12中以磁力线B1...B1表示的会切型磁场，与对称磁场分布相关的沿相反方向作用的排斥力F1和F1施加在两个线圈101a和101b上。随着磁铁变大，这种排斥力F1也相应增大，例如，可达到数十至数百吨。

于是，在产生会切磁场的装置中，通常在真空容器中设置一个支承作用在两个线圈上的排斥力的支承机构。图13示出其中的一个例子。

在如图13所示的与上述装置相似的真空容器102内括含两个线圈101a和101b的超导磁铁装置中，在两个线圈101a和101b周围设置液氦通道的环形氦容器103a和103b，在氦容器103a和103b的内外设置支承(支承件)104a和104b，利用两个支承104a和104b的抗压强度，支承作用在两个线圈101a和101b上的排斥力。

在包括支承机构的磁铁装置的情况下，真空容器102外部的热量通过支承104a传递到氦容器103a和103b的内部。因此，通常在这种装置中，在真空容器102的外部设置一个冷却器110，并在氦容器103a周围设置与冷却器110热连接的双层辐射屏105a和105b，辐射屏105a和105b与支承104a热连接，从而经过支承104a传递的来自接触部分的一部分热量被辐射屏105a和105b所吸收。

然而，在上述传统的会切型磁场超导磁铁装置中，由于线圈的排斥力是利用支承的抗压强度支承的，为了支承由于装置尺寸增大而产生的更强的排斥力，必须增大支承的截面，从而使它不会被压力弄弯。

因此，在这种情况下，由于支承截面的增大，从外部传递到支承上的热量增大，因此，液氦的蒸发量增大，灌注液氦的次数和维护成本也增加，为了提高装置的性能，必须增加冷却辐射屏的冷却器的个数或者增大装置的尺寸。结果，存在整个磁铁装置重量和尺寸增大及其成本提高的问题。

本发明的目的是基本消除上述现有技术中碰到的缺陷或缺点并提供一种支承超导线圈排斥力的支承结构简单和紧凑的、制造成本相对较低的超导磁铁装置。

通过提供这样一种超导装置本发明能够实现这个以及其它目的，该装置包括：

真空容器；

两个沿真空容器轴向相互对置的环形超导线圈；以及

支承两个超导线圈的支承结构，

支承结构包括沿真空容器轴向将两个超导线圈连接起来的线圈连接体和整体支承两个经线圈连接体相连的超导线圈的支承体，两个超导线圈通过支承体设置到真空容器中。

在较佳实施例中，线圈连接件包括在两个超导线圈周围沿其圆周方向设置的环形构件，环形构件是由卷绕两个超导线圈的卷绕框架组成的。

线圈连接体包括多个在两个超导线圈周围沿其圆周方向设置的相互隔开恒定距离的弧形构件。线圈连接体包括沿超导线圈轴向将两个超导线圈夹在当中并使之连接的连接件和使经连接件相连的两个超导线圈之间保持轴向间隔的间隔保持件。每个连接件包括沿两个超导线圈径向内侧和外侧中至少一侧轴向延伸的底部和从底部的轴向相对的两端延伸并弯向两个超导线圈轴向外侧的肩部。底部和肩部是整体形成的。肩部包括为分别与两个超导线圈的轴向外侧贴合而设置的两块端板；底部包括沿轴向支撑两块端板的支撑件。

在连接件周围设置抑制涡流的狭缝。连接件是由高热导率材料或者高热导率材料与高强度材料制成的复合材料形成的。

间隔保持件包括根据两个超导线圈与连接件之间轴向热膨胀自由调节超导线圈轴向空隙长度的机构。

导体沿两个超导线圈轴向的中心距离与导体沿直径方向的中心半径互相相等。

沿超导线圈的径向或轴向以与之同轴的方式为两个超导线圈中的至少一个线圈设置辅助环形超导线圈。

可以进一步设置激励超导线圈从而产生互不相同的磁场的构件。

在两个超导线圈中的至少一个线圈的轴向外侧设置在超导线圈之间产生沿相反方向磁场的辅助环形线圈。

可以进一步设置环绕两个线圈的环形氦容器和环绕环形氦容器的双层环形辐射屏。

冷却器可以设置在相对于真空容器中心轴的对称等角位置处。

根据本发明的上述特征，由于能够把作用在两个超导线圈上的排斥力从与真空容器接触的支承体分离从与真空容器接触的支承体分离，而仅由线圈连接体支承这个排斥力，因此，可以基本摆脱诸如增大支承截面而增大强度作为对抗排斥力措施的设计限制并能在较大程度上抑制从真空容器外部到低温部分的热传递。

如果采用卷绕框架，在组装装置时可以不用从卷绕框架上取下线圈，这是有好处的，由于减少了制造工作天数，能够提供成本较低的装置。

此外，为了降低超导线圈去磁化时产生的涡流，最好在连接件周围设置一抑制涡流的狭缝。

作为间隔保持件的一种样式，它包括根据两个超导线圈与连接件之间轴向热膨胀自由调节超导线圈轴向空隙长度的机构。

作为本发明的其他样式，可以采用以下结构。

导体沿两个超导线圈轴向的中心距离与导体沿径向的中心半径互相相等。在这种情况下，这是有好处的，因为能够最有效地产生磁场，因此能够使导体长度减至最小。

沿超导线圈的径向为两个超导线圈中的至少超导一个线圈同轴地设置辅助环形超导线圈。在这种情况下，可以控制磁场分布，例如，利用与超导线圈电源分开的电源使辅助线圈磁化。因此，通过对辅助线圈磁化和去磁化，可以相对于线圈轴向将磁场对称轴(沿垂直方向)移动到沿线圈轴向的任何位置，不需要大型的移动整个磁铁(或在单晶拉晶装置的情况下包括“坩埚”)的机构。

即使沿超导线圈的轴向给两个超导线圈中的至少一个超导线圈同轴地设置辅助环形超导线圈，也能获得这个好处。

进一步设置一个激励两个超导线圈产生互不相同磁场的构件。作为这种构件的一种样式，利用一个不同的电源磁化两个线圈，改变两个电源的电流，从而沿线圈轴向在任何位置处设置磁场最大值和最小值的位置。

在两个超导线圈中至少一个超导线圈的轴向外侧设置一个在超导线圈之间产生相反方向磁场的辅助环形线圈。在这种情况下，可以通过辅助线圈降低磁场向外的漏泄，因而进一步降低装置的重量。

参考附图，从以下给出的描述中，本发明的本质以及另外的特征将变得更加清楚。

附图中：

图1是表明本发明超导磁铁装置结构的截面示意图。

图2是表明采用卷绕框架的装置结构的截面示意图。

图3是表明采用端板和连接杆的连接件结构的截面示意图。

图4是表明采用弹簧的间隔保持件结构的截面示意图。

图5是表明第二实施例的超导磁铁装置基本部分概念的图。

图6是表明第三实施例的超导磁铁装置基本部分概念的图。

图7是表明第四实施例的超导磁铁装置基本部分概念的图。

图8是说明采用多个激励电源一种情况的方框示意图。

图9是说明采用多个激励电源另一种情况的方框示意图。

图10是表明第五实施例的超导磁铁装置基本部分概念的图。

图11是表明第六实施例的超导磁铁装置基本部分概念的图。

图12是表明使用传统超导磁铁装置时会切磁场分布概念的图。

图13是表明传统超导磁铁装置结构的截面示意图。

以下参考附图描述本发明超导磁铁装置的较佳实施例。

(实施例1)

图1示出包括两个环形超导线圈(以下将称之为“线圈”)2a和2b的超导磁铁装置，如图1所述，环形线圈2a和2b分别设置在沿环形真空容器1开口的轴向分开的上、下位置处。线圈2a和2b被环形氦容器3整体包容在当中，环形氦容器3由双层环形辐射屏4a和4b覆盖。每个辐射屏4a和4b与设置在真空容器1外部的冷却器(未示出)热连接。

在这个磁铁装置中，在氦容器3中沿线圈外围方向相互隔开一段距离设置多个连接件10，作为本发明沿轴向将线圈2a和2b夹在中间的线圈连接件，每个连接件由非磁性材料(如不锈钢)制成；以及多个间隔保持件20，每个间隔保持件保持线圈2a与2b二者之间的轴向间隔。在真空容器1中设置氦容器支承30，作为支承氦容器3的本发明的支承件。

整体地提供具有U形截面的连接件10，其底部(环形部分)11至少在线圈2a和2b的外周侧或内周侧(图中为外周侧)之一处沿轴向延伸，肩部(端板部分)12和12是从底部11的相对两端沿轴向AZ延伸从而弯向线圈2a和2b外侧。连接件10支承由于每个线圈2a和2b的会切磁场造成的排斥力。

间隔保持件20包括诸如松紧螺扣的延伸机构并这样构造，两棍挤压杆21和21通过螺母相互连接，以机械或冶金手段将加强板23和23装在相连的挤压杆21和21的相对两端，分别使加强板23和23与线圈2a和2b的两个相对表面贴合。通过旋转螺母22，可使挤压杆21和21伸缩，由相对的加强板23和23维持线圈2a与2b之间的合适的轴向间隔。

氦容器支承30的尺寸设定为沿轴向插在对置的氦容器3与辐射屏4a之间。氦容器支承30在氦容器3的外周表面与真空容器1的内周上表面之间沿轴向伸展，它包括下挂件，诸如能够下挂氦容器3的杆。支承30与每个辐射屏4a和4b热连接，阻止真空容器1的热量传到氦容器3。

第一实施例装置的工作情况如下：

当开动装置时，氦容器3中的液氦将连接件10、保持件20和两个线圈2a和2b同样地维持在超低温下，从激励电源(未示出)提供电流，在装置中产生会切磁场。氦容器3中的连接件10强有力地支承由于产生的会切磁场而作用在线圈2a和2b上的排斥力。

因此，根据这一磁铁装置，由于在氦容器3中支承了作用在两个线圈2a和2b上的排斥力，因此不必象传统排斥力支承那样从真空容器1的常温一侧安装支承强排斥力的结构。换句话说，由于不必在真空容器1与氦容器3之间空间中提供支承线圈2a和2b排斥力的结构，因此在支承30的设计上有可能增加灵活性。

即，如果支承30能够支承至少整个氦容器的自重(例如，几百公斤至几吨)，则不管线圈2a和2b的排斥力大小，支承30所需的强度足够了。因此，能够减小支承截面直径，结果，有可能这样设计支承30，从而把它插在氦容器3与辐射屏4a之间空隙间隙中，因此，能够固定足够长的支承。

如果以这种方式采用细长的支承30，由于能够大大降低从真空容器1外面的常温侧到真空容器1内的低温侧(氦容器)的热传递，因此能够抑制液氦的蒸发量，以降低其消耗量。不必增加冷却器的个数，因此，可以提供能以较低代价减小尺寸和重量且维护成本低的装置结构。

对于连接件可以采用以下改进和应用。

例如，当对磁铁进行磁化或去磁化时，作为一种抑制连接件中产生的涡流的方法，可以在连接件10的环形部分中沿其圆周方向形成至少一条狭缝。这种情况有几个好处，通过狭缝能够更有效地抑制磁铁在磁化或去磁化时产生的涡流，因而进一步降低涡流产生的热量以及液氦的蒸发量。

此外，作为连接件的一种组成材料，象铝、铜等具有优良热导率的材料是有用的。这种情况有一个好处，即使氦容器3中液氦的液面降低而超导线圈露出液氦，由连接件能够对线圈的露出部分进行冷却。此外，如果采用包含这种高热导率材料和诸如不锈钢等强度较大材料的复合材料，可提供除具有优良热导率外还具有优良强度的连接件。

作为连接件，可采用如图2所示的卷绕线圈2a和2b的卷绕框架10a。如果采用卷绕框架10a，它还能够起间隔保持件的作用。因此，如果其上绕有线圈2a和2b的卷绕框架10a照原样装在氦容器3中，则不需要连接件和间隔保持件，于是进一步简化了制作过程，因此是有利的。

此外，作为连接件，可以采用如图3所示的结构构件10b，其中端板12b和12b用作两肩，而作为底部的连接杆11b和11b整体安装在端板12b和12b的相对两侧。在这种情况下，可以沿线圈圆周方向相互隔开一段距离设置多组两个端板12b和12b，或者可以将它们整体形成为环形圆盘。

尽管在这个实施例中采用挤压杆和螺母的延伸机构作为间隔保持件，但本发明并不限于这种机构。

例如，作为间隔保持件，可以采用如图4所示的由不锈钢等材料制成的构件20a，其中两根间隔杆21a和21a通过弹簧24相互连接，而在连接部分设置调节螺母22a，用于调节线圈之间的间隔。

在这种情况下，通过弹簧24能够吸收由例如不锈钢制成的间隔保持件20a与由上述铝材制成的连接件10之间热收缩之差。因此，能够更有效地抑制由于构件20a与10之间以及构件20a、10与线圈2a、2a之间产生的热收缩造成的应力。

尽管沿线圈的圆周方向设置了多个连接件和间隔保持件，但是，本发明不必限于这种配置，例如，它们可以沿线圈圆周方向整体形成为环形构件。

(实施例2)

在图5所示的超导磁铁装置中，除了上述的结构外，每个线圈2a和2b卷绕在具有预定中心半径R1的导体上，以预定导体中心距离L1将线圈2a和2b设置在上部和下部。设定半径R1和距离L1长度相等。

根据这种磁铁装置，除了第一实施例的效应外，由于在沿线圈轴向AX位置处的磁通量密度与平行会切磁场对称轴A1(两个线圈之间空间磁场的中性点)位置处磁通量密度大致互相相等，能够产生具有最有效磁场分布的会切磁场分布，能够更好地保证超导线圈的驱动稳定性，因此是有利的。即使采用传统的支承，也能获得同样好处。

(实施例3)

在图6所示的超导磁铁装置中，除了上述结构外，在下部线圈2b的外周处设置一个辅助线圈40，该辅助线圈与激励电源(未示出)连接，该激励电源与上、下主线圈2a和2b的电源分开。没有主线圈2a和2b，仅由辅助线圈40产生任意激励力。

在这种情况下，除了以前实施例的效应外，通过利用上、下主线圈产生会切磁场和利用辅助线圈沿与前一磁场相同或相反方向产生另一磁场，可以沿垂直方向在空间相对于线圈自由移动会切磁场对称轴。

当超导磁铁装置应用于半导体单晶的拉晶装置时将最大限度地显示出这些好处。

在传统拉晶装置的情况下，在两个线圈中只能产生相同的磁力，空间磁场的对称轴位置总是固定在线圈之间的中性点上，由于提拉操作，熔化在坩埚中晶体材料的液面逐渐降低。因此，熔融液面的位置总是相对于固定磁场而变化，结果，存在单晶质量不稳定的问题。

根据这个实施例，由于能够根据熔融单晶液面的变化沿垂直方向在空间相对于线圈自由地移动会切磁场对称轴，即使不采用相对地垂直移动坩埚或整个磁铁的机制，根据熔融液面也总能产生最佳磁场。因此，能够提高所获单晶质量的稳定性。在采用传统支承时也能显示出这一好处。

尽管在这个实施例中辅助线圈设置在下部线圈上，但是，本发明并不限于这种配置，即使辅助线圈设置在上部线圈一侧也能显示同样效果。如果在上下线圈侧都设置辅助线圈，则能够在更宽的范围上准确地控制磁场分布。如果设置多个辅助线圈，能够更准确地控制磁场变化。

尽管在本实施例中辅助线圈设置在主线圈(上部线圈或下部线圈)的外周处，但不应将本发明限于这种配置，即使把辅助线圈设置在主线圈的内周处也能获得相同效应。

(实施例4)

在图7所示的超导磁铁装置中，除了上述结构外，在线圈2a和2b的轴向外侧设置辅助线圈41a和41b，并控制激励状态的变化，使上部主线圈2a和辅助线圈41a的总激励磁力与下部主线圈2b和辅助线圈41b的总激励磁力互相相等，因此在空间相对于两个线圈2a和2b垂直移动会切磁场对称轴AX的位置。

例如，其正常工作期间，不使辅助线圈41a和41b磁化而仅使主线圈2a和2b100％磁化，因此，会切磁场对称轴AX的位置保持在上下线圈2a和2b之间的中性点处。

在这种情况下，当对称轴AX从中性点向上移动时，使上部线圈2a去磁化，并使上部辅助线圈41a100％磁化；当对称轴AX从中性点向下移动时，使下部线圈2b去磁化，并使下部辅助线圈41b100％磁化。

因此，根据这个实施例，当会切磁场的对称轴在空间垂直移动时，它的位置可以连续变化，能够一直保证把对称轴夹在当中的上下磁场之间的对称性，而与会切磁场对称轴的位置变化无关。即使在采用传统支承时也能显示出这个优点。

尽管在这个实施例中为上下主线圈各设置一个辅助线圈，但是，本发明并不限于这种配置。如果为上下主线圈各设置多个辅助线圈，则可以进一步增大会切磁场对称轴的移动量。

在上述的第三和第四实施例中，尽管会切磁场对称轴的位置是在空间沿垂直方向移动的，但本发明并不限于这种配置。图8和9示出这种状况的一个例子。

在图8所示的超导磁铁装置中，上下线圈2a和2b分别与提供电流的电流引线50和50以及激励电源51和51连接。通过把电流从电源51和51各自提供到线圈2a和2b，分别使线圈2a和2b磁化，产生激励力。

在这种情况下，如果进行控制，使上下主线圈中的一个线圈产生的磁场不变而另一个主线圈产生的磁场变化，即可垂直移动会切磁场对称轴AX。因此，即使不采用上述辅助线圈，也能够采用相对简单的结构控制对称轴的垂直移动。

在图9所示的超导磁铁装置中，主电源51通过电流引线50和50与上下线圈2a和2b串联连接，而通过另一电流引线50将另一辅助电源52仅与下部线圈2b连接。

在这种情况下，来自主电源51的电流提供给两个线圈2a和2b而来自辅助电源52的电流提供给下部线圈2b，从而在下部线圈2b中产生的激励磁力比在上部线圈2a产生的磁力强，因此垂直改变会切磁场对称轴AX的位置。

在这种情况下，与上述情况相比，由于有三条电流引线就够了，能够抑制电流引线到低温部分的热传递，因而降低液氦的消耗量。辅助电源也可以仅与上部的线圈连接。

(实施例5)

在图10所示的超导磁铁装置中，除了上述结构外，沿轴向AX在上下主线圈2a和2b的外侧处设置辅助线圈42a和42b，并这样控制磁化状态，从而沿与主线圈2a和2b磁场方向相反的方向产生辅助线圈42a和42b的磁场。

根据这个实施例，由于辅助线圈沿与上部线圈产生磁场相反的方向产生磁场，因此可有效地降低磁铁沿上部外侧方向的磁场漏泄。由于对于下部线圈和辅助线圈能够获得同样效果，因此能够大大降低磁场的总漏泄。

这里，作为降低磁场漏泄的一种方法，可采用诸如铁等磁性材料。然而，在这种情况下，由于存在整个装置尺寸增大的缺点，这不是一种好的方法。与这种方法相比，如果采用上述的辅助线圈，则可能提供结构更简单并减小装置尺寸和重量的超导磁铁装置，因此，能够大大降低磁场对于磁铁周围的磁性材料和电子设备的影响，因而是有利的。即使采用传统支承时也能获得这个好处。

(实施例6)

在图11所示的超导磁铁装置中，除了上述结构外，相对于真空容器1的中心轴在180°对称位置(等角位置)处设置两个冷却器60和60。通过驱动每个冷却器60和60，可对真空容器1中的辐射屏(未示出)均等地致冷。

根据这个实施例，由于基本可避免在真空容器低温侧中局部存在的非冷却部分的情况，在由冷却器对线圈直接冷却的冷却型磁铁的情况下，由设置在等角位置处的冷却器均匀地对线圈冷却，当将多个冷却器公共地而不是各自地与多个线圈热连接时，一个好处是，如果一个冷却器的性能变化，其它冷却器能够对线圈冷却，这进一步提高了装置的可靠性。即使采用传统支承也同样能够获得这个好处。

冷却器的个数不应限于两个，也可采用三个或更多个冷却器。在这种情况下，最好将它们设置在等角位置上。

应当注意，本发明不限于上述实施例，只要不偏离所附权利要求书的范围可以作出许多其它改变和修改。

如上所述，根据本发明，由于采用线圈连接件将超导线圈相互连接起来，因此可以提供一种简单的支承结构，用于支承作用在超导线圈上的排斥力。例如，即使安装在真空容器中的支承结构有一定截面，也能够大大降低通过支承从真空容器外面进入的热量，结果，能够以相较低的成本提供适合于减小尺寸和重量的装置结构。

Claims (11)

1.一种超导磁铁装置，包括：

一真空容器；

两个设置在所述真空容器中的且沿其轴向相互对置的环形超导线圈；

一用于支承所述超导线圈的连接件，所述连接件包括一底部和两块端板，用于把两个超导线圈夹在当中；以及

一沿轴向设置在所述超导线圈之间的位置保持件，所述位置保持件保持通过所述底部与所述两个端板部分连接的两个超导线圈之间的轴向距离，

其特征在于，所述两个超导线圈通过所述连接件和所述位置保持件被设置于所述真空容器中，所述连接件被配置成当超导线圈受激励并产生一尖顶磁场时支承由两个超导线圈产生的排斥力。

2.如权利要求1所述的超导磁铁装置，其特征在于：所述底部和所述两个端板部分包括沿所述其周向环绕两个超导线圈设置的环形构件。

3.如权利要求1所述的超导磁铁装置，其特征在于：所述底部和所述两个端板部分包括沿所述其周向环绕两个超导线圈以彼此恒定距离设置的多个弧形构件。

4.如权利要求1所述的超导磁铁装置，其特征在于：每个所述连接件包括沿两个超导线圈的径向内侧和外侧中至少一侧在轴向上延伸的底部和从底部轴向相对的两端延伸并弯向所述两个超导线圈轴向外侧的肩部。

5.如权利要求4所述的超导磁铁装置，其特征在于：所述底部和所述肩部是整体形成的。

6.如权利要求4所述的超导磁铁装置，其特征在于：所述肩部包括为分别与所述两个超导线圈的轴向外侧贴合而设置的两块端板；所述两个端板包括一用于在轴向上紧固两个端板的紧固件。

7.如权利要求1所述的超导磁铁装置，其特征在于：所述位置保持件包括根据所述两个超导线圈与所述连接件之间轴向热膨胀自由调节超导线圈与连接间之间轴向空隙的机构。

8.如权利要求1所述的超导磁铁装置，其特征在于：导体沿所述两个超导线圈轴向的中心距离与导体沿直径方向的中心半径互相相等。

9.如权利要求1所述的超导磁铁装置，其特征在于：沿所述超导线圈的径向以与之同轴的方式为所述两个超导线圈中的至少一个超导线圈设置辅助环形超导线圈。

10.如权利要求1所述的超导磁铁装置，其特征在于：进一步包括激励所述两个超导线圈产生相互不同的超导线圈磁场的装置。

11.如权利要求1所述的超导磁铁装置，其特征在于：相对于所述真空容器的中心轴在对称的等角位置上设置低温冷却器。

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