CN114974792B - 一种用于超导波荡器的无液氦低温励磁装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于超导波荡器的无液氦低温励磁装置，其特征在于，包括一级冷沉、冷屏、二级导冷、二级冷沉、真空室、制冷机、纯铜引线、一级导冷、高温超导带、引线冷沉、超导磁体冷板、波荡器线圈和真空维护口等。超导线圈绕制在铁芯的线槽中，热量通过端部逐渐传出，达到超低温，并且温度均匀。进入超导态的磁体线圈，通过纯铜和高温超导带对其逐步升流励磁，最终实现超导磁体的理想磁场状态。磁体温度在一定范围内可以调节，并可监控测量峰值场强。本发明可实现米级超导波荡器磁体的励磁实验，省去稀有昂贵的液氦，极大降低成本，同时具有装配简单、适配广泛、操作安全等特点。

Description

一种用于超导波荡器的无液氦低温励磁装置
技术领域
本发明涉及低温与超导技术领域，具体涉及到一种用于超导波荡器的无液氦低温励磁装置。
背景技术
在同步辐射光源领域，传统的波荡器是由永磁体阵列构建的，但是有峰值场强极限和随时间逐渐消退的不利点，超导波荡器结合波荡器和超导技术，理论上具有传统技术不可比拟的优势，成为光源技术的发展热点方向之一。
超导波荡器中的超导线圈阵列，使用低温超导材料制作，需要将温度降低到-269℃才可以进入超导态，进而表现较大载流性质。退化现象是超导线圈的基本特点，励磁过程是达到目标磁场电流的必然形式。传统的励磁过程是将波荡器线圈浸入到常压饱和液氦中，然而，反复的励磁过程，导致宝贵液氦资源大量的消耗，实验成本成为限制关键技术发展的重要因素。
传统的液氦浸泡方式，需要配置专门的低温杜瓦设备，体积较大，对实验室空间要求高，限制了超导波荡器技术研究的门槛。
发明内容
鉴于现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种用于超导波荡器的无液氦低温励磁装置。本发明包括一级冷沉、冷屏、二级导冷、二级冷沉、真空室、制冷机、纯铜引线、一级导冷、高温超导带、引线冷沉、超导磁体冷板、波荡器线圈和真空维护口等。超导波荡器包括超导磁体，超导磁体包括一铁芯；波荡器线圈绕制在超导磁体铁芯的线槽中，热量通过端部逐渐传出，达到超低温，并且温度均匀。进入超导态的波荡器线圈，通过纯铜引线和高温超导带对其逐步升流励磁，最终实现波荡器线圈的理想磁场状态。波荡器线圈的温度在一定范围内可以调节，并可监控测量峰值场强。本发明可实现米级超导波荡器磁体的励磁实验，省去稀有昂贵的液氦，极大降低成本，同时具有装配简单、适配广泛、操作安全等特点。
本发明用于超导波荡器的无液氦低温励磁装置具体包括一级冷沉1、冷屏2、二级导冷3、二级冷沉4、真空室5、制冷机6、纯铜引线7、一级导冷8、高温超导带9、引线冷沉10、超导磁体冷板11、波荡器线圈12、真空维护口13、补偿加热器14、冷质量拉杆15等。波荡器线圈12端部与超导磁体冷板11完全接触连接，超导磁体冷板11顶部与二级冷沉4下表面完全接触连接，二级冷沉4与制冷机6低温冷源通过二级导冷3柔性连接，纯铜引线7密封绝缘贯穿入真空室5，高温超导带9与纯铜引线7末端连接，波荡器线圈12与高温超导带9末端连接，一级冷沉1与制冷机6通过面接触连接，螺栓预紧固定，一级冷沉1与一级导冷8连接，冷质量拉杆15的顶端与真空室5的顶部内壁连接、中部位置与一级导冷8连接，底部与二级冷沉4连接，冷屏2置于真空室5内部。引线冷沉10与二级冷沉4通过焊接方式连接，引线冷沉10与高温超导带9进行完全热接触，并借助氮化铝材料等实现电绝缘。
本发明一较佳的实施方式中，二级冷沉4采用高纯无氧铜，剩余电阻率比值RRR≥60，适配的波荡器线圈12的长度在0～1m内是连续的。二级冷沉4的厚度dmin需要满足传热要求，依据以下等式计算：
Figure BDA0003718227470000021
其中Q1表示波荡器线圈12所需传热量，λc表示导热系数，w表示二级冷沉4的宽度，L表示导热距离，即二级冷沉4中部到二级导冷3的距离，ΔTmax表示最大允许温差。
本发明一较佳的实施方式中，波荡器线圈12所绕的超导磁体铁芯端部制作成光滑导冷平面，与超导磁体冷板11完全接触，并在光滑导冷平面与超导磁体冷板11接触面之间设置软性铟材垫片，厚度0.2mm。
本发明一较佳的实施方式中，二级冷沉4与制冷机6二级冷头之间的二级导冷3是柔性的，可减振并释放低温应力。柔性导冷链的横截面积Ar和长度Lr满足
Figure BDA0003718227470000022
其中，
Figure BDA0003718227470000023
表示面积长度比，Q2表示二级冷沉冷却传热量，λr表示导热系数。制冷机6有两个冷头，一级冷头与一级冷沉1连接；二级冷头与一级冷头连接且温度低于一级冷头，二级冷头通过柔性导冷3与二级冷沉4连接。
本发明一较佳的实施方式中，波荡器线圈12的电路联通是依靠高温超导带9，两者之间依靠锡焊连接。其最大焊接电阻要求
Figure BDA0003718227470000024
其中，Rmax表示最大焊接电阻，QJ表示锡焊所允许焦耳热，I表示波荡器线圈12的设计励磁电流。
本发明一较佳的实施方式中，高温超导带9外部考虑绝缘防护，在二级冷沉4附近设置热接触点，在一级冷沉1设置热接触点；高温超导带9经这些热接触点固定传热且电绝缘。对二级冷沉4的漏热严格限制，以下公式优化冷质量拉杆15的结构：
Figure BDA0003718227470000025
其中，Th表示冷质量拉杆15高温端温度，Tc表示冷质量拉杆15低温端温度，Q表示冷质量拉杆15到二级冷沉4的导热量，λ(T)表示冷质量拉杆15的导热系数，A0表示冷质量拉杆15的横截面积，LS表示冷质量拉杆15的长度。
本发明一较佳的实施方式中，纯铜引线7与高温超导带9在一级冷沉1处连接，充分接触并设置绝缘措施。
本发明一较佳的实施方式中，纯铜引线7的长度L1和截面积A1是依据热量传递最佳优化的，满足
Figure BDA0003718227470000031
C是与材料电物性、热物性和设计电流等相关的物理参数，可用以下等式计算：
Figure BDA0003718227470000032
其中，TM表示一级冷沉1温度，λCu表示纯铜引线7的导热系数，ρCu表示纯铜引线7的电阻率，I表示通过电流，大小等于波荡器线圈电流。
本发明一较佳的实施方式中，设置了热辐射冷屏2并结合真空室5绝热，冷屏是铝制的，表面剖光处理，真空室5内真空压力小于10-3Pa。
本发明一较佳的实施方式中，补偿加热器14设置在靠近二级冷沉4两端，棒状结构，沉孔形式安装，深度30mm。
本发明一较佳的实施方式中，冷质量拉杆15是两段式的，在一级冷沉1下端附近设置热隔断，并将一级冷沉1下拉杆采用G10制作，使对二级冷沉4漏热控制在0.05W以下。
相较于现有技术，本发明提供的一种用于超导波荡器的无液氦低温励磁装置具有如下优点：
第一，波荡器线圈的冷却不需要液氦，仅靠低温冷头的传导冷却完成；
第二，冷却的线圈在长度方向上是连续适配的，即在米级以下的任意长度波荡器，均可以被安装冷却；
第三，超导线圈的剧烈失超能量依靠冷质量快速吸收，并限制在一定温升内，实现静态安全；
第四，结构紧凑，体积较小，可满足小空间实验室的使用要求，单次励磁成本相比液氦冷却降低95％以上；
第五，引线与超导线圈抽头的连接应用高温超导带，消除焦耳热对线圈主体的影响，仅靠传导即可实现温度要求；
第六，低温部件被限制在真空中，没有低温液体的剧烈气化，以及窒息性气体的排放，装置运行更加安全。
附图说明
图1为用于超导波荡器的无液氦低温励磁装置的概念示意图。
图2为二级冷沉的结构示意图。
图3为高温超导带的结构示意图。
图4为超导磁体冷板的结构示意图。
附图标记：1-一级冷沉，2-冷屏，3-二级导冷，4-二级冷沉，5-真空室，6-制冷机，7-纯铜引线，8-一级导冷，9-高温超导带，10-引线冷沉，11-超导磁体冷板，12-波荡器线圈，13-真空维护口，14-补偿加热器，15-冷质量拉杆。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
参考图1，本发明提供一种用于超导波荡器的无液氦低温励磁装置，包括一级冷沉1、冷屏2、二级导冷3、二级冷沉4、真空室5、制冷机6、纯铜引线7、一级导冷8、高温超导带9、引线冷沉10、超导磁体冷板11、波荡器线圈12、真空维护口13、补偿加热器14、冷质量拉杆15等。波荡器线圈12端部与超导磁体冷板11完全接触连接，超导磁体冷板11顶部与二级冷沉4下表面完全接触连接，二级冷沉与制冷机6低温冷源通过二级导冷3柔性连接，纯铜引线7密封绝缘贯穿真空室5，高温超导带9与纯铜引线7末端连接，波荡器线圈12与高温超导带9的末端连接，冷质量拉杆15依次连接真空室5、一级冷沉1和二级冷沉4，冷屏2置于真空室5内部。
本实施例中，参考图2，二级冷沉4采用RRR≥60无氧铜，强化传热降低温差，波荡器线圈12铁芯端部制作成光滑导冷平面，与超导磁体冷板11完全接触，并设置软性铟材垫片。二级冷沉4与制冷机6二级冷头之间通过柔性的二级导冷3连接导热，减振并释放伸缩应力。
本实施例中，参考图3，波荡器线圈12的电流连接抽头并联几条低温超导线，高温超导带9与低温超导线通过锡焊连接，并在连接处设置铜质光滑平面，其与二级冷沉4接触，阻止热量向低温超导线的传递。
本实施例中，纯铜引线7与真空室5之间设置陶瓷绝缘，纯铜引线7的长度和直径需要综合考虑材料物性、运行条件等参数，然后根据热负荷极小进行最优化设计，其低温端冷沉可用G10或四氟绝缘，整体进行打压试验。
本实施例中，参考图4，超导磁体冷板11可以同时安装2个波荡器线圈12，顶部是光滑平面，6个孔对应二级冷沉4的三道连续孔。
本实施例中，针对波荡器线圈12、二级冷沉04、磁体冷板11和高温超导带9等冷质量，在外面布置冷屏2，并整体安装在真空室5内，借助真空泵通过真空维护口13建立真空环境后，断开并保持密封，依靠低温吸附原理，可形成更高的绝热状态。冷屏2选用铝制，具有良好导热性能，同时比较轻质，外部包扎多层绝热材料。
本实施例中，采取到-269℃温度下进行严格的热分析优化，包括高温超导带9、冷质量拉杆15等热传导以及冷屏2的热辐射。同时，设置补偿加热器14，调节冷沉温度。
以上所述，仅用于说明本发明的技术方案，并非对发明的做出限制，虽然上述实施例做出了详细的说明，但本领域的技术人员可以在不脱离本技术方案的范围内，对其进行替换、修饰和简单更改，而这些替换、修饰和简单更改并不能使相应技术方案的本质脱离本使用新实施例的范围。

Claims (9)

1.一种用于超导波荡器的无液氦低温励磁装置，其特征在于，包括制冷机(6)、纯铜引线(7)、真空室(5)，所述真空室(5)内设有由冷屏(2)和一级导冷(8)连接构成的密闭空间；所述密闭空间内设有一级冷沉(1)、二级导冷(3)、二级冷沉(4)、高温超导带(9)、超导磁体冷板(11)和波荡器线圈(12)；其中，
所述制冷机(6)的一级冷头位于所述真空室(5)内且底端伸入所述密闭空间内，所述一级导冷(8)与所述一级冷头下端连接，使得所述密闭空间悬挂于所述真空室(5)内；
所述一级冷头的底端与所述一级冷沉(1)接触，用于将冷量传导给所述一级冷沉(1)；所述一级冷沉(1)与所述一级导冷(8)连接；
所述一级冷头的底端所连接的二级冷头通过所述二级导冷(3)与二级冷沉(4)的上端面连接；用于将冷量传导给所述二级冷沉(4)；所述二级冷沉(4)上设置有若干补偿加热器(14)，用于调节所述二级冷沉(4)的温度；
两所述超导磁体冷板(11)的顶部与所述二级冷沉(4)的下端面连接，两所述超导磁体冷板(11)之间设有超导磁体铁芯，所述波荡器线圈(12)绕制在所述超导磁体铁芯的线槽中且所述波荡器线圈(12)的端部与所述超导磁体冷板(11)接触连接；
两条所述纯铜引线(7)密封绝缘贯穿入所述真空室(5)，分别经一所述高温超导带(9)与所述波荡器线圈(12)的一端连接；其中，所述纯铜引线(7)的长度L1和截面积A1满足
Figure FDA0004030235950000011
其中，TM表示所述一级冷沉(1)的温度，λCu为所述纯铜引线(7)的导热系数，ρCu为所述纯铜引线(7)的电阻率，I为波荡器线圈(12)的设计励磁电流。
2.根据权利要求1所述的无液氦低温励磁装置，其特征在于，还包括两根冷质量拉杆(15)；每一所述冷质量拉杆(15)的顶端与真空室(5)的顶部内壁连接、中部与所述一级导冷(8)连接、底部与所述二级冷沉(4)的上端面连接。
3.根据权利要求2所述的无液氦低温励磁装置，其特征在于，依据公式
Figure FDA0004030235950000012
优化冷质量拉杆(15)的结构；其中，Th表示所述冷质量拉杆(15)的高温端温度，Tc表示所述冷质量拉杆(15)的低温端温度，Q表示所述冷质量拉杆(15)到所述二级冷沉(4)的导热量，λ(T)表示冷质量拉杆(15)的导热系数，A0表示冷质量拉杆(15)的横截面积，
LS表示冷质量拉杆(15)的长度。
4.根据权利要求1所述的无液氦低温励磁装置，其特征在于，还包括两个引线冷沉(10)，两所述引线冷沉(10)分别连接于所述二级冷沉(4)的两侧，所述高温超导带(9)与所述引线冷沉(10)热接触且电绝缘；所述纯铜引线(7)与所述一级冷沉(1)的下表面热接触且电绝缘。
5.根据权利要求1或4所述的无液氦低温励磁装置，其特征在于，所述二级冷沉(4)采用高纯无氧铜，剩余电阻率比值RRR≥60；所述波荡器线圈(12)的长度为0～1m；所述二级冷沉(4)的最小厚度
Figure FDA0004030235950000021
其中，Q1为波荡器线圈(12)所需传热量，λc为导热系数，w为二级冷沉(4)的宽度，L为导热距离，ΔTmax为最大允许温差。
6.根据权利要求1所述的无液氦低温励磁装置，其特征在于，所述超导磁体铁芯的端部为光滑导冷平面，经软性铟材垫片与超导磁体冷板(11)连接固定。
7.根据权利要求1所述的无液氦低温励磁装置，其特征在于，所述二级导冷(3)为柔性导冷链，其横截面积Ar和长度Lr满足
Figure FDA0004030235950000022
其中，Q2为所述二级冷沉(4)所需的冷却传热量，λr为导热系数。
8.根据权利要求1所述的无液氦低温励磁装置，其特征在于，所述波荡器线圈(12)与所述高温超导带(9)之间通过锡焊连接，最大焊接电阻
Figure FDA0004030235950000023
其中，QJ为锡焊所允许焦耳热，I为波荡器线圈(12)的设计励磁电流。
9.根据权利要求1所述的无液氦低温励磁装置，其特征在于，所述纯铜引线(7)与所述高温超导带(9)在所述一级冷沉(1)处连接并与所述一级冷沉(1)导热接触且电绝缘。
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