CN114512295A - 一种高均匀磁场传导冷却超导磁体系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高均匀磁场传导冷却超导磁体系统，包括超导线圈、线圈骨架、中心导冷环、导冷带、低温容器、防辐射屏、真空容器、服务塔、制冷机、可拔插电流引线、颈管、真空阀等。其中，超导线圈及线圈骨架组成主磁体，提供高均匀度的1.5T磁场。低温容器、防辐射屏、真空容器三层容器提供低温真空环境。中心导冷环和导冷带与制冷机连接，将制冷机的冷量传播到系统各处。本发明仅用一台制冷机维持极低温环境，实现超导磁体无液氦稳定运行，降低系统成本，解决液氦卡脖子问题。

Description

一种高均匀磁场传导冷却超导磁体系统

技术领域

本发明涉及超导磁体技术领域，特别涉及一种高均匀磁场传导冷却的超导磁体系统。

背景技术

超导磁体由超导材料绕制而成，超导材料在极低温环境下，具有零电阻的特性，因此超导磁体可携带大电流，从而产生高磁场。由于强磁场，体积小的优势，超导磁体广泛应用于物理、医学、交通、工业等领域。液氦是氦的液化体，它可获得mK级的超低温，是一种最主要的低温源，常被用作超导磁体的制冷剂。液氦是不可再生资源，尽管我国有少量氦气资源，但总体相当贫乏，仅占世界2％左右，目前我国95％左右的氦气依赖于进口。因此，液氦资源短缺成为“卡脖子”问题，在一定程度上限制了我国超导磁体技术的发展和应用。

随着制冷技术的发展，采用制冷机直接冷却的方式可将超导磁体温度降低到液氦温区，实现超导磁体的超导态。传导冷却的超导磁体低温系统简单，无需消耗液氦，运维成本低。小型超导磁体的传导冷却技术已经趋于成熟，但大口径高均匀磁场超导磁体由于冷质量较大，系统无液氦化还存在诸多问题。冷质量大的超导磁体无液氦技术可以从两方面出发：第一，采用临界温度高的超导材料制造主磁体，如Nb3Sn、Bi系、REBCO材料等，该类超导材料临界温度较高，采用制冷机冷却相对简单；第二，低温系统和传热结构的改进，目前的制冷机技术已经完全具备冷至液氦温度以下的制冷能力，但因超导磁体低温系统和传热结构的热负荷及漏热过大，导致降温时间过长，而励磁过程中又引入新的热负荷和漏热，只能勉强维持超导磁体的运行温度，因此磁体运行不稳定，易发生失超风险，严重时直接烧毁磁体，造成经济损失。

中国发明专利CN113096908A公开了一种超导磁体系统，主要涉及一种具有保护失超期间发生损害功能的超导磁体系统，重点介绍了失超保护方案，未涉及传导冷却结构。中国实用新型专利CN208157188U涉及一种多箱式超导磁体低温容器系统，既能降低超导磁体低温容器系统内极低温低压容器承压压力，又能保持超导磁体低温容器系统内极低温，该方案主要针对液氦浸泡式超导磁体系统。中国发明专利CN102360689B提出一种传导冷却超导磁体系统，可提供0.7T以上的磁场，结构紧凑，不需要液氦制冷，重量轻，特别适用于医学诊断和介入治疗，但该系统是具有铁轭屏蔽的开放式C形结构，非螺管式结构，磁场强度和均匀度一般较低。中国发明专利CN103117144B提出一种改进的传导冷超导磁体制冷系统，其超导磁体与二级冷头直接相连，制冷效果好，但该方式适合紧凑型单体超导磁体，不适合有内外线圈的高均匀度超导磁体。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供一种高均匀磁场传导冷却超导磁体系统，包括超导线圈、线圈骨架、中心导冷环、导冷带、低温容器、防辐射屏、真空容器、服务塔、制冷机、可拔插电流引线、颈管、真空阀门；其中，所述超导磁体系统为螺管式，所述超导线圈包括六组内线圈和两组外线圈，分别绕制在高强度的内线圈骨架和外线圈骨架上；所述超导线圈的外侧直接焊接所述导冷带和中心导冷环，所述中心导冷环通过导冷带与位于所述服务塔中的所述制冷机的二级冷头相连；所述超导线圈放置于所述低温容器中，在所述低温容器外依次同轴安装布置有所述防辐射屏和所述真空容器；所述防辐射屏与所述制冷机的一级冷头相连；所述服务塔上安装所述制冷机和可拔插电流引线；所述可拔插电流引线固定在所述真空容器的外壳上，外接励磁电源，内接所述超导线圈。

进一步地，所述超导线圈和内、外线圈骨架组成主磁体，所述主磁体的长度为1400mm、内径为920mm、外径为1720mm。

进一步地，所述低温容器、防辐射屏、真空容器为不锈钢材料制成，并真空密封；所述防辐射屏包裹多层绝热材料，所述真空容器为所述超导磁体系统的最外层容器，直接与空气接触。

进一步地，所述服务塔上布置的所述制冷机外接压缩机和水冷机，不断输出稳定的制冷功率。

进一步地，所述服务塔还包括颈管，其包含多个阀门以及相连接的法兰、卡箍和接管，并预留了预冷制冷机的安装位置。

进一步地，所述服务塔还包括真空阀门，所述真空阀门连接分子泵，对所述超导磁体系统进行抽真空。

进一步地，所述低温容器、防辐射屏分别通过不同的拉杆吊装于所述真空容器上，所述低温容器的拉杆穿越所述防辐射屏连接到所述真空容器，所述防辐射屏的拉杆直接连接到所述真空容器。

进一步地，所述可拔插电流引线结构为室温端铜引线脱开结构，实现所述室温端铜引线与所述超导线圈的电流引线的脱开，减少所述超导线圈通过所述电流引线连接室温端铜引线所产生的漏热。

进一步地，所述超导线圈由矩形超导复合材料制作，内、外线圈骨架的线槽与超导线材接触部分做绝缘处理，所述超导线圈的层与层之间依靠超导线自身编制层绝缘；不同线槽的所述超导线圈之间采用超导接头连接成一条通路，载流运行时，所述超导线圈对所述内、外线圈骨架产生挤压力，内、外线圈骨架起到支撑和定位作用；所述超导线圈运行电流为480A，运行电流与临界电流比为64％，中心磁场为1.5T，在450mm球形区域的磁场均匀度为10.2ppm。

进一步地，所述外线圈相对于所述内线圈反向绕制。

有益效果：

本发明的高均匀磁场传导冷却超导磁体系统具有螺管式结构，包含内外线圈来提高磁场均匀度，并采用新型低温系统和传导冷却结构设计，提高降温速度，有效减少漏热，使超导磁体线圈温度分布均匀，实现无液氦稳定运行，解决液氦资源的卡脖子问题。

附图说明

图1为本发明的高均匀磁场传导冷却超导磁体系统的外观图。

图2为本发明的超导磁体低温容器的截面图，其中：1-超导线圈，2-线圈骨架，3-低温容器，4-中心导冷环，5-导冷带。

图3为本发明的超导磁体低温容器外的示意图，其中：6-防辐射屏，7-真空容器，8-服务塔，9-制冷机，10-可拔插电流引线，11-颈管，12-真空阀门。

图4为本发明的主磁体的示意图，其中：1-1-内线圈，1-2-外线圈，2-1-内线圈骨架，2-2-外线圈骨架。

图5为本发明的超导磁体的轴对称磁场分布示意图。

图6为450mm直径球形的高均匀磁场区域的磁场[-5ppm,5ppm]等值线示意图。

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。

以下结合附图阐述本发明的具体实施方式。

图1、图2、图3为本发明的高均匀磁场传导冷却超导磁体系统及其主要构成零部件的示意图。本发明的高均匀磁场传导冷却超导磁体系统主要包括超导线圈1、线圈骨架2、低温容器3、中心导冷环4、导冷带5、防辐射屏6、真空容器7、服务塔8、制冷机9、可拔插电流引线10、颈管11、真空阀门12等。

所述超导线圈1、线圈骨架2组成主磁体，用于产生高均匀度的中心磁场。所述超导线圈1采用超导复合材料制作而成，用于产生磁场。所述线圈骨架2采用高强材料制作而成，用于所述超导线圈1的定位和支撑。所述主磁体通过所述导冷带5连接所述中心导冷环4，所述中心导冷环4通过所述导冷带5与所述制冷机9的二级冷头相连，保证制冷温度能维持超导磁体的超导态。所述制冷机9用于输出制冷功率，产生和维持超导磁体所需低温环境。

所述低温容器3、防辐射屏6、真空容器7依次分布在主磁体的外侧，与主磁体同轴安装，在实际运行时均处于真空状态。所述低温容器3、防辐射屏6通过拉杆悬吊于所述真空容器7上，用于承重和对中。其中所述低温容器3的拉杆穿越所述防辐射屏6连接到所述真空容器7上，所述防辐射屏6的拉杆直接连接到所述真空容器7上。所述防辐射屏6与所述制冷机9的一级冷头相连，使所述低温容器3的拉杆在与所述防辐射屏6交汇处形成热节点，避免所述低温容器3与所述真空容器7的直接温差增加系统漏热。

所述高均匀磁场传导冷却超导磁体系统为螺管式结构，长度为1650mm，室温孔径为850mm。采用单台的制冷机9传导冷却，其中，图2所示的所述超导线圈1、线圈骨架2、中心导冷环4、导冷带5包含于所述低温容器3中。所述低温容器3真空焊接密封。所述中心导冷环4,、导冷带5由高热导材料制成，所述导冷带4一端与所述超导线圈1的外线圈直接焊接，另一端利用螺钉连接到所述中心导冷环4上。所述中心导冷环4连接制冷机9的二级冷头，除了将冷量均匀传送到超导线圈1外，还能为所述低温容器3的内部机构布置提供载体。所述真空容器7与低温容器3同轴安装，所述真空容器7和低温容器3的夹层之中安装所述防辐射屏6。所述防辐射6屏包裹多层绝热材料用于降低辐射漏热。所述真空容器7为超导磁体最外层容器，直接与空气接触。在实际运行时，低温容器3、防辐射屏6、真空容器7均处于真空状态，减少气体分子漏热。

如图3所示，所述低温容器3外的组成零部件主要包括防辐射屏6、真空容器7和服务塔8。所述服务塔8焊接在所述真空容器7上，其上安装制冷机9、可拔插电流引线10、颈管11、真空阀门12等。所述制冷机9为一台GM制冷机，外接压缩机和水冷机，输出稳定的制冷功率，产生和维持超导磁体所需低温环境。制冷机9的一级冷头连接防辐射屏6，二级冷头连接服务塔8内的导冷带5，导冷带5连接中心导冷环4，所述中心导冷环4再次利用导冷带5将制冷机9的冷量输送至超导线圈1上。可拔插电流引线10为室温端铜引线脱开结构，固定在真空容器7的外壳上，外接励磁电源的室温端铜引线，内接超导线圈1的电流引线。磁体励磁时将可拔插电流引线10的内部接头插合上实现励磁通电，励磁结束将可拔插电流引线10的内部接头拔断开，实现室温端铜引线与内部电流引线的脱开，减少由于电流引线外接所产生的漏热。所述颈管11包含各种容器接口，以及相连接的法兰、卡箍、接管等，主要用于各类引线的进出，如温度计、液面计、加热片等，用于测试和监查超导磁体的状态等。此外，可在所述颈管11装设大功率制冷机对磁体进行预冷，提高降温速度。所述真空阀门12主要用于连接分子泵，对超导磁体系统进行抽真空，还有泄放气作用，维持超导磁体内外压力平衡。预留阀门用于辅助超导磁体制造过程的各类测试，在超导磁体系统正式运行时，所述预留阀门内安装压力阀、爆破片等防止真空容器7内压力过大。

图4为主磁体的示意图。所述主磁体包括内线圈1-1、外线圈1-2，内线圈骨架2-1，外线圈骨架2-2。所述超导线圈1用于产生高均匀磁场，线圈骨架用于所述超导线圈1的定位和支撑。所述主磁体的长度1400mm，内径920mm、外径1720mm，由六组内线圈1-1组成和两组外线圈1-2组成。所述内线圈1-1和外线圈1-2均由矩形截面的NbTi/Cu复合超导线均匀密绕在内、外线圈骨架2-1、2-2的线槽中，所述线槽与线圈接触部分利用麦拉膜、环氧片、四氟乙烯喷涂等绝缘处理。线圈的层与层之间利用超导线外层包裹的编制带绝缘。每组线圈之间采用超导接头连接，当低温容器3内部的温度降到超导材料临界温度以下后，利用引出的所述可拔插电流引线10进行励磁充电。其中所述外线圈1-2相对于内线圈1-1反向绕制，达到电流反向的效果，用于屏蔽主磁体产生的杂散场。所述超导线圈1运行电流为480A，运行电流与临界电流之比为64％，中心磁场强度1.5T。载流运行时，超导线圈1的匝线间会产生巨大的电磁力，从而对内、外线圈骨架2-1、2-2产生作用力。所述内、外线圈骨架2-1、2-2采用不锈钢材料制作，除了支撑超导线圈1，平衡电磁力外，还起到定位的作用，保证磁场的均匀性。

超导磁体的轴对称磁场分布如图5所示，磁场在高均匀磁场区域(450mm直径的球形区域)的均匀度为10.2ppm，[-5ppm,5ppm]等值线分布如图6所示。

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 (10)

1.一种高均匀磁场传导冷却超导磁体系统，其特征在于：包括超导线圈、线圈骨架、中心导冷环、导冷带、低温容器、防辐射屏、真空容器、服务塔、制冷机、可拔插电流引线；其中，所述超导磁体系统为螺管式，所述超导线圈包括六组内线圈和两组外线圈，分别绕制在高强度的内线圈骨架和外线圈骨架上；所述超导线圈的外侧直接焊接所述导冷带和中心导冷环，所述中心导冷环通过导冷带与位于所述服务塔中的所述制冷机的二级冷头相连；所述超导线圈放置于所述低温容器中，在所述低温容器外依次同轴安装布置有所述防辐射屏和所述真空容器；所述防辐射屏与所述制冷机的一级冷头相连；所述服务塔上安装所述制冷机和可拔插电流引线；所述可拔插电流引线固定在所述真空容器的外壳上，外接励磁电源，内接所述超导线圈。

2.根据权利要求1所述的一种高均匀磁场传导冷却超导磁体系统，其特征在于：所述超导线圈和所述内、外线圈骨架组成主磁体，所述主磁体的长度为1400mm、内径为920mm、外径为1720mm。

3.根据权利要求1所述的一种高均匀磁场传导冷却超导磁体系统，其特征在于：所述低温容器、防辐射屏、真空容器为不锈钢材料制成，并真空密封；所述防辐射屏包裹多层绝热材料，所述真空容器为所述超导磁体系统的最外层容器，直接与空气接触。

4.根据权利要求1所述的一种高均匀磁场传导冷却超导磁体系统，其特征在于：所述服务塔上布置的所述制冷机外接压缩机和水冷机，不断输出稳定的制冷功率。

5.根据权利要求1所述的一种高均匀磁场传导冷却超导磁体系统，其特征在于：所述服务塔还包括颈管，其包含多个阀门以及相连接的法兰、卡箍和接管，并预留了预冷制冷机的安装位置。

6.根据权利要求1所述的一种高均匀磁场传导冷却超导磁体系统，其特征在于：所述服务塔还包括真空阀门，所述真空阀门连接分子泵，对所述超导磁体系统进行抽真空。

7.根据权利要求3所述的一种高均匀磁场传导冷却超导磁体系统，其特征在于：所述低温容器、防辐射屏分别通过不同的拉杆吊装于所述真空容器上，所述低温容器的拉杆穿越所述防辐射屏连接到所述真空容器，所述防辐射屏的拉杆直接连接到所述真空容器。

8.根据权利要求1所述的一种高均匀磁场传导冷却超导磁体系统，其特征在于：所述可拔插电流引线的结构为室温端铜引线脱开结构，实现所述室温端铜引线与所述超导线圈的电流引线的脱开，减少所述超导线圈通过所述电流引线连接所述室温端铜引线所产生的漏热。

9.根据权利要求1所述的一种高均匀磁场传导冷却超导磁体系统，其特征在于：所述超导线圈由矩形超导复合材料制作，所述内、外线圈骨架的线槽与超导线材接触部分做绝缘处理，所述超导线圈的层与层之间依靠超导线自身编制层绝缘；不同线槽的所述超导线圈之间采用超导接头连接成一条通路，载流运行时，所述超导线圈对所述内、外线圈骨架产生挤压力，所述内、外线圈骨架起到支撑和定位作用；所述超导线圈运行电流为480A，运行电流与临界电流之比为64％，中心磁场为1.5T，在450mm球形区域的磁场均匀度为10.2ppm。

10.根据权利要求1所述的一种高均匀磁场传导冷却超导磁体系统，其特征在于：所述外线圈相对于所述内线圈反向绕制。

Images