CN114551026B - 一种低温强磁场综合物性测量用超导磁体及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低温强磁场综合物性测量用超导磁体及其设计方法，所述超导磁体包含4组线圈，其中3组为主线圈，1组为补偿线圈，所有线圈嵌套在一起，同轴、同中心。线圈从内到外，前2组为主线圈，第3组为补偿线圈，第4组为主线圈，即补偿线圈位于1组主线圈内侧。为了优化调整线圈安全裕度，各组线圈通过采用不同的导线规格，实现了径向电流密度分级，即每组线圈又包含若干子线圈，这种电流密度分级方式不仅应用在主线圈上，同时应用在补偿线圈上。本发明提出了基于目标场法的补偿线圈径向电流密度分级优化方法，给出了补偿线圈分层设计规则，并应用在低温强磁场综合物性测量用超导磁体设计当中。

Description

一种低温强磁场综合物性测量用超导磁体及其设计方法

技术领域

本发明属于超导强磁场领域，具体涉及一种低温强磁场综合物性测量用超导磁体线圈结构及其设计方法。

背景技术

低温强磁场综合物性测量仪是材料科学、物理、化学等领域对微纳器件和新材料电学、磁学、热学等物性测量不可或缺的关键仪器。低温强磁场综合物性测量设备的基础测量平台是一套强磁场超导磁体系统，它为仪器提供测量用的可变化的磁场环境，满足材料在不同背景磁场条件下的性能参数测量，同时在磁体冷孔内设置样品腔，通过冷氦气来调节样品腔的温度，实现不同温度条件下的样品性能参数测量。在超导磁体平台上搭建电学、磁学、热学等物性测量器件即构成了低温强磁场综合物性测量设备。突破综合物性测量用强磁场超导磁体关键技术，是搭建物性测量实验平台，研制综合物性测量仪整机系统的关键环节。

美国专利US11047817B2公布了一种物性测量系统，其中主要提到了相比传统测量系统增加的样品腔处的密封加压部件，并给出了换置样品的步骤，但是并未给出磁体部件的结构；中国专利CN111009374B公布了一种具有紧凑结构的核磁共振超导磁体，该磁体采用主线圈和补偿线圈的设计结构，主线圈位于内侧，采用不同的导线规格进行径向分级，补偿线圈位于主线圈外周，由目标场法求解得到，由一种规格的导线绕制，没有进行径向分层；美国专利US7015779B2公布了一种高场超导磁体结构，该磁体由长螺线管主线圈和补偿线圈组成，补偿线圈包含3个短螺线管线圈，位于主线圈外周且无径向分层，所有线圈共同作用，在磁体中心区域产生高强度高均匀度的磁场分布；中国专利CN113889313A公布了高场全身磁共振成像主动屏蔽超导磁体及其设计方法，其中公布的设计方法为高场超导磁体的补偿磁场设计方式，但所考虑的补偿线圈方案为单一导线规格，未提供补偿线圈的径向分级设计方法。

发明内容

本发明旨在解决补偿法设计超导磁体时，采用单一规格导线无法实现径向电流密度分级进而无法优化导线安全裕度的问题。本发明提出了基于目标场法设计磁体的补偿线圈径向电流密度分级方法，给出了补偿线圈分层的设计规则，基于本方法，通过合理布置补偿线圈和主线圈的位置，设计了一种低温强磁场综合物性测量用超导磁体。

本发明的技术方案如下：

一种低温强磁场综合物性测量用超导磁体，包含第一组主线圈、第二组主线圈、第三组主线圈和1组补偿线圈组，分别由独立的骨架支撑，第一组主线圈、第二组主线圈、第三组主线圈和1组补偿线圈组同轴、同中心嵌套在一起；从内到外，所述第一组主线圈为Nb₃Sn主线圈，由不锈钢骨架支撑，包含1个线圈，所述第二组主线圈为Nb₃Sn主线圈，包含2个子线圈，由不锈钢骨架支撑，所述补偿线圈组为Nb₃Sn补偿线圈，分为左右两部分线圈，左边线圈和右边线圈关于超导磁体的各主线圈的中平面对称，且两部分线圈又分别分离为两个子线圈，从而使得补偿线圈组包含4个子线圈，由不锈钢骨架支撑，所述第三组主线圈为NbTi主线圈，用铝合金骨架支撑，包含4个子线圈。

进一步地，所述超导磁体采用传导冷却的方式进行制冷。

进一步地，所述补偿线圈组为内补偿方式，其位于至少1组主线圈的内侧。

进一步地，所述第一组主线圈内直径不低于55mm，包含线圈骨架后，磁体冷孔直径不低于50mm，磁体中心磁场强度不低于14T，在磁体中心区域轴向50mm、径向10mm的圆柱型范围内磁场均匀度峰峰值不超过1000ppm。

本发明还提供一种低温强磁场综合物性测量用超导磁体的设计方法，其采用径向电流密度分级的内补偿线圈优化设计方法，具体步骤如下：

第一步，预设定第一组、第二组、第三组主线圈的电磁参数并指定补偿线圈组位置，其中各主线圈的电磁参数包含导线规格、导线匝数、线圈尺寸与位置和运行电流；所述补偿线圈组位于至少1组主线圈内侧，在指定补偿线圈组的位置后，补偿线圈组的内侧主线圈与外侧主线圈之间预留指定的间隔，用于放置补偿线圈组；

第二步，拟定径向电流密度分级补偿线圈组的导线规格，然后对不同的导线规格进行平均处理获得平均导线规格，根据第一步预设定的磁体运行电流计算得到补偿线圈组的平均电流密度，采用目标场法求解补偿线圈组，并根据补偿线圈组的尺寸与位置，调整补偿线圈组的内侧主线圈与外侧主线圈之间的间隔，再优化求解补偿线圈组的尺寸与位置，如此反复迭代，直至补偿线圈组的尺寸合适、位置合理；

第三步，根据第二步的平均导线规格，将补偿线圈组沿径向分离成不同导线规格的子线圈，其中径向分离后的子线圈具有相同的宽度以及与相应导线规格相匹配的导线匝数，然后约束分离后的补偿线圈的尺寸，继续采用目标场法优化调整补偿线圈组位置并求解磁体运行电流，之后对超导磁体进行安全裕度和应力评估，如不满足要求返回第一步。

进一步地，所述第一步，假定第i组磁体主线圈的内径和外径分别为r_i和R_i，磁体总共有N组线圈，补偿线圈组位于第i-1组主线圈和第i组主线圈之间，如果除去线圈内侧骨架、外侧加热片与绑扎带以及线圈装配空间，它们整体所占径向间隔为t，那么补偿线圈组的内径r和外径R需满足如下关系：

R_i-1+t≤r＜R≤r_i-t (1)

所述第二步，假定补偿线圈组选用两种规格的导线，截面积分别为s₁和s₂，那么平均电流密度为：

其中I为主线圈预设定的运行电流，α为补偿线圈导线填充因子，J_ave为补偿线圈组平均电流密度；根据目标场法逆向求解得到补偿线圈组的尺寸和位置信息后，评估补偿线圈组与内侧主线圈和外侧主线圈的间隔，判断间隔是否与所述第一步中的指定的所述径向间隔t相当，如果差异较大，则在第一步重新调整R_i-1和r_i，直至补偿线圈组与内侧主线圈和外侧主线圈的间隔与所述第一步中的所述径向间隔t相当；

所述第三步，由补偿线圈的截面积S和平均电流密度J_ave可以得到补偿线圈的总电流，除以运行电流后得到补偿线圈组的总匝数；将补偿线圈组沿径向分离为不同的两个子线圈，导线宽度分别为w₁和w₂，线圈轴向填充率分别为α₁和α₂，线圈整体匝数分别为n_z1×n_r1和n_z1×n_r1，其中n_z1、n_z2为两个子线圈的轴向圈数，n_r1、n_r2为两个子线圈的径向层数，那么线圈分离规则需满足：

n_z1w₁/α₁＝n_z2w₂/α₂ (4)

其中公式(3)表示线圈分离前后匝数近似相等，公式(4)表示线圈分离后的子线圈宽度相等。

有益效果：

本发明的超导磁体均匀区范围较大，而现有技术中采用目标场法求解得到的补偿线圈较厚，不利于线圈安全裕度的提升，为此本发明提出了补偿线圈径向分层的设计方法，和主线圈一样进行径向电流密度分级。补偿线圈的径向分层设计方法，合理优化了补偿线圈的电流密度分布，提升了补偿线圈的安全裕度，而且减薄的线圈结构易于采用绑扎方法进行应力控制。

附图说明

图1为本发明的超导磁体线圈结构示意图；

图2为本发明的超导磁体线圈的设计步骤；

图3为依据本发明中的设计方法得到的低温强磁场综合物性测量用超导磁体的磁场分布图，其中图(a)为磁体线圈内部和周围的磁场分布，单位为T，图(b)为磁体中心区域的磁场均匀度分布，单位为ppm，其中虚线框内代表均匀区；

附图标记说明：1为第一组主线圈、2为第二组主线圈、3为补偿线圈组、4为第三组主线圈、5为磁体磁场均匀区、2a、2b为第二组主线圈2的子线圈、3a、3b、3c、3d为补偿线圈组3的子线圈、4a、4b、4c、4d为第三组主线圈4的子线圈。

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。

如图1所示，本发明一种低温强磁场综合物性测量用超导磁体包含4组线圈，为了调整优化磁体的安全裕度，减小磁体规模，对超导磁体线圈进行了径向电流密度分级。本发明超导磁体所进行的电流密度分级不仅局限于传统设计常用的主线圈电流密度分级，而且对补偿线圈也进行的径向电流密度分级，并提出了相应的补偿线圈分层设计方法。本发明的超导磁体包含第一组主线圈1、第二组主线圈2、第三组主线圈4和1组补偿线圈组3，分别由独立的骨架支撑，4组线圈同轴、同中心嵌套在一起。从内到外，第1组主线圈1为Nb₃Sn主线圈，用不锈钢骨架支撑，包含1个线圈，第2组主线圈2为Nb₃Sn主线圈，包含2个子线圈，用不锈钢骨架支撑，补偿线圈组3为Nb₃Sn补偿线圈，分为左右两部分线圈，左边线圈和右边线圈关于超导磁体的各组主线圈的中平面对称，且两部分线圈又分别分离为两个子线圈，即补偿线圈组3包含4个子线圈，用不锈钢骨架支撑，第三组主线圈4为NbTi主线圈，用铝合金骨架支撑，包含4个子线圈。超导磁体的补偿线圈组3为内补偿方式，即补偿线圈组位于至少1组主线圈的内侧，补偿线圈组不仅在轴向分离为若干个子线圈，而且在径向分离为若干个子线圈，多个子线圈共同组成了补偿线圈组3。

具体的，本发明中的4组超导线圈从内到外，第一组主线圈1为高临界性能的Nb₃Sn超导线圈，由于该线圈热处理工艺与其他普通性能的Nb₃Sn线圈显著不同，再加上线圈所用导线较短，故而未对第一组主线圈1进行再分层，即第一组主线圈1只包含1个线圈。第二组主线圈2为普通性能的Nb₃Sn超导线圈，从径向分为2a、2b两个子线圈，采用不同规格的超导线材绕制，实现径向电流密度分级。第二组主线圈2上方设置补偿线圈组3，采用目标场法求解得到，采用普通性能的Nb₃Sn超导线材绕制，从轴向分离为两组关于主线圈中心面对称的线圈，每组线圈再在径向进行了分层处理获得3a、3b、3c、3d四个子线圈，采用不同规格的超导线材绕制，实现径向电流密度分级。第三组主线圈4采用NbTi超导线材绕制，从径向分为4a、4b、4c、4d四个子线圈，采用不同规格的超导线材绕制，实现径向电流密度分级。本发明中的第一组主线圈1、第二组主线圈2和补偿线圈组3为Nb₃Sn线圈，需要进行热处理，采用不锈钢骨架进行支撑，第三组主线圈4为NbTi线圈，采用铝合金骨架进行支撑。磁体线圈绑扎结构和端板结构都采用铜制作，整个超导磁体采用传导冷却的方式进行制冷。

本发明中所述第一组主线圈1内直径不低于55mm，包含线圈骨架后，磁体冷孔直径不低于50mm，磁体中心磁场强度不低于14T。图1所示磁体磁场中心区域为磁体磁场均匀区5，范围为轴向50mm、径向10mm的圆柱型区域，此区域内磁场均匀度峰峰值不超过1000ppm。

本发明中超导磁体的设计步骤如图2所示，分为三个步骤：

第一步，预设定各主线圈电磁参数并指定补偿线圈位置，其中各主线圈电磁参数包含导线规格、导线匝数、线圈尺寸与位置、运行电流；由于补偿线圈组位于至少1组主线圈内侧，在指定补偿线圈组3位置后，补偿线圈组3内侧主线圈与外侧主线圈之间预留指定的间隔，用于放置补偿线圈组，如补偿线圈组3位于第一组主线圈1内侧，则需要指定磁体冷孔与第一组主线圈1之间的间隔，用于放置补偿线圈组3。假定第i组磁体主线圈的内径和外径分别为r_i和R_i，磁体总共有N组线圈，补偿线圈组3位于第i-1组主线圈和第i组主线圈之间，如果除去线圈内侧骨架、外侧加热片与绑扎带以及线圈装配空间，它们整体所占径向间隔为t，那么补偿线圈组3的内径r和外径R需满足如下关系：

R_i-1+t≤r＜R≤r_i-t (1)

第二步，拟定径向电流密度分级补偿线圈组的导线规格，然后对不同的导线规格进行平均处理，根据第一步预设定的磁体运行电流计算得到补偿线圈组的平均电流密度，采用目标场法求解补偿线圈组。假定补偿线圈组选用两种规格的导线，截面积分别为s₁和s₂，那么平均电流密度为：

其中I为主线圈预设定的运行电流，α为补偿线圈组导线填充因子，J_ave为补偿线圈组平均电流密度。根据目标场法逆向求解得到补偿线圈组的尺寸和位置信息后，评估补偿线圈组与内侧主线圈和外侧主线圈的间隔，判断间隔是否与所述第一步中的指定的所述径向间隔t相当，如果差异较大，则需要在第一步重新调整R_i-1和r_i，直至补偿线圈组与内侧主线圈和外侧主线圈的间隔与所述第一步中的指定的所述径向间隔t相当。

第三步，根据第二步的平均导线规格，将补偿线圈组沿径向分离成不同导线规格的子线圈，其中径向分离后的子线圈具有相同的宽度，以及与相应导线规格相匹配的导线匝数。由补偿线圈组的截面积S和平均电流密度J_ave可以得到补偿线圈组的总电流，除以运行电流后得到补偿线圈组的总匝数。将补偿线圈组沿径向分离为不同的子线圈，假定为两个子线圈，导线宽度分别为w₁和w₂，线圈轴向填充率分别为α₁和α₂，线圈整体匝数分别为n_z1×n_r1和n_z1×n_r1，其中n_z1、n_z2为两个子线圈的轴向圈数，n_r1、n_r2为两个子线圈的径向层数，那么线圈分离规则需满足：

n_z1w₁/α₁＝n_z2w₂/α₂ (4)

其中公式(3)表示线圈分离前后匝数近似相等，公式(4)表示线圈分离后的子线圈宽度相等。

然后约束分离后的补偿线圈组尺寸，继续采用目标场法优化调整补偿线圈组位置并求解磁体运行电流，之后对超导磁体进行安全裕度和应力评估，如不满足要求返回第一步。

依据本发明中的设计方法得到的低温强磁场综合物性测量用超导磁体的磁场分布如图3所示，其中图(a)为磁体线圈内部和周围的磁场分布，单位为T，图(b)为磁体中心区域的磁场均匀度分布，单位为ppm，其中虚线框内代表均匀区。

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 (6)

1.一种低温强磁场综合物性测量用超导磁体，其特征在于：所述超导磁体包含第一组主线圈、第二组主线圈、第三组主线圈和1组补偿线圈组，分别由独立的骨架支撑，第一组主线圈、第二组主线圈、第三组主线圈和1组补偿线圈组同轴、同中心嵌套在一起；从内到外，所述第一组主线圈为Nb₃Sn主线圈，由不锈钢骨架支撑，包含1个线圈，所述第二组主线圈为Nb₃Sn主线圈，包含2个子线圈，由不锈钢骨架支撑，所述补偿线圈组为Nb₃Sn补偿线圈，分为左右两部分线圈，左边线圈和右边线圈关于超导磁体的各主线圈的中平面对称，且两部分线圈又分别分离为两个子线圈，从而使得补偿线圈组包含4个子线圈，由不锈钢骨架支撑，所述第三组主线圈为NbTi主线圈，用铝合金骨架支撑，包含4个子线圈；

对第二组主线圈和补偿线圈组进行径向电流密度分级，所述第二组主线圈采用普通性能的Nb₃Sn超导线材绕制，从径向分为两个子线圈；所述第二组主线圈上方设置补偿线圈组，补偿线圈组从轴向分离为两组关于主线圈中心面对称的线圈，每组线圈再在径向进行分层处理获得四个子线圈，采用不同规格的超导线材绕制，实现径向电流密度分级；所述第三组主线圈采用NbTi超导线材绕制，从径向分为四个子线圈，采用不同规格的超导线材绕制，实现径向电流密度分级。

2.权利要求1所述的一种低温强磁场综合物性测量用超导磁体，其特征在于：所述超导磁体采用传导冷却的方式进行制冷。

3.权利要求1所述的一种低温强磁场综合物性测量用超导磁体，其特征在于：所述补偿线圈组为内补偿方式，其位于至少1组主线圈的内侧。

4.权利要求1所述的一种低温强磁场综合物性测量用超导磁体，其特征在于：所述第一组主线圈内直径不低于55mm，包含线圈骨架后，磁体冷孔直径不低于50mm，磁体中心磁场强度不低于14T，在磁体中心区域轴向50mm、径向10mm的圆柱型范围内磁场均匀度峰峰值不超过1000ppm。

5.一种如权利要求1-4之一所述的低温强磁场综合物性测量用超导磁体的设计方法，其特征在于，采用径向电流密度分级的内补偿线圈优化设计方法，具体步骤如下：

第一步，预设定第一组、第二组、第三组主线圈的电磁参数并指定补偿线圈组位置，其中第一组、第二组、第三组主线圈的电磁参数包含导线规格、导线匝数、线圈尺寸与位置和运行电流；所述补偿线圈组位于至少1组主线圈内侧，在指定补偿线圈组的位置后，补偿线圈组的内侧主线圈与外侧主线圈之间预留指定的间隔，用于放置补偿线圈组；

第二步，拟定径向电流密度分级补偿线圈组的导线规格，然后对不同的导线规格进行平均处理获得平均导线规格，根据第一步预设定的磁体运行电流计算得到补偿线圈组的平均电流密度，采用目标场法求解补偿线圈组，并根据补偿线圈组的尺寸与位置，调整补偿线圈组的内侧主线圈与外侧主线圈之间的间隔，再优化求解补偿线圈组的尺寸与位置，如此反复迭代，直至补偿线圈组的尺寸合适、位置合理；

第三步，根据第二步的平均导线规格，将补偿线圈组沿径向分离成不同导线规格的子线圈，其中径向分离后的子线圈具有相同的宽度以及与相应导线规格相匹配的导线匝数，然后约束分离后的补偿线圈组的尺寸，继续采用目标场法优化调整补偿线圈组位置并求解磁体运行电流，之后对超导磁体进行安全裕度和应力评估，如不满足要求返回第一步。

6.根据权利要求5所述的一种低温强磁场综合物性测量用超导磁体的设计方法，其特征在于：

所述第一步，假定第i组磁体主线圈的内径和外径分别为r_i和R_i，磁体总共有N组线圈，补偿线圈组位于第i-1组主线圈和第i组主线圈之间，如果除去线圈内侧骨架、外侧加热片与绑扎带以及线圈装配空间，它们整体所占径向间隔为t，那么补偿线圈组的内径r和外径R需满足如下关系：

R_i-1+t≤r＜R≤r_i-t (1)

所述第二步，假定补偿线圈组选用两种规格的导线，截面积分别为s₁和s₂，那么平均电流密度为：

其中I为所有主线圈预设定的运行电流，α为补偿线圈导线填充因子，J_ave为补偿线圈组平均电流密度；根据目标场法逆向求解得到补偿线圈组的尺寸和位置信息后，评估补偿线圈组与内侧主线圈和外侧主线圈的间隔，判断间隔是否与所述第一步中的所述径向间隔t相当，如果差异较大，则在第一步重新调整R_i-1和r_i，直至补偿线圈组与内侧主线圈和外侧主线圈的间隔与所述第一步中的所述的径向间隔t相当；

所述第三步，由补偿线圈组的截面积S和平均电流密度J_ave可以得到补偿线圈组的总电流，除以运行电流后得到补偿线圈组的总匝数；将补偿线圈组沿径向分离为不同的两个子线圈，导线宽度分别为w₁和w₂，线圈轴向填充率分别为α₁和α₂，线圈整体匝数分别为n_z1×n_r1和n_z1×n_r1，其中n_z1、n_z2为两个子线圈的轴向圈数，n_r1、n_r2为两个子线圈的径向层数，那么线圈分离规则需满足：

n_z1w₁/α₁＝n_z2w₂/α₂ (4)

其中公式(3)表示线圈分离前后匝数近似相等，公式(4)表示线圈分离后的子线圈宽度相等。