CN116798724A - 一种超导磁体、磁控拉单晶设备及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种超导磁体、磁控拉单晶设备及控制方法，其中超导磁体包括：超导线圈，包含两个独立的线圈部分；冷屏，设置在超导线圈外部；磁屏蔽铁轭，设置在冷屏外部；真空杜瓦内筒体，设置在冷屏外部；制冷机，设置在磁屏蔽铁轭的外侧面上，制冷机分别与超导线圈和冷屏导冷连接；电流引线，数量为一组，一组电流引线分别与两个线圈部分电连接；超导电源，与电流引线电连接，电流引线与线圈部分的连接关系发生变化后，超导电源向每个线圈部分输入激励电流，使每个线圈部分形成的磁场按照需要进行调节。本申请的超导磁体不仅可以产生不同类型的磁场，而且可以实现磁场分布可调，将对生产出高品质的单晶硅有重大的意义。
Description
技术领域
本申请涉及磁体设备技术领域，特别涉及一种超导磁体、磁控拉单晶设备及控制方法。
背景技术
高纯单晶硅广泛应用于太阳能电池、集成电路、半导体等行业，是光伏发电、电子信息等高新技术产业的关键材料之一，在保障能源、信息、国家安全方面具重要的战略地位。然而，由于磁拉单晶技术的核心部件—大型超导强磁体装置，其设计技术难度高、加工制造难度大、成本和风险居高不下等原因，该项技术一直被国外垄断。
根据已有的文献调研可知，截止目前，磁控拉单晶用超导磁体技术目前由国外企业垄断，国内近几年也有相关专利进行了保护申请，如2013年，李超，闫果等，提出的“一种用于磁控直拉单晶用MgB2超导磁体”公开号：CN103106994A；2019年，汤洪明，傅林坚等，提出“一种超导磁体和磁控直拉单晶设备”公开号：CN110136915A，然而，以上发明只是简单的描述了超导磁体本身，没有从单晶炉与超导磁体相结合的角度，更没有考虑使如何使用一个磁体产生多种可变的磁场分布，用于满足现实拉单晶复杂多变的磁场分布要求，也没有考虑成本的控制。
目前的发明中的磁控拉单晶超导磁体都为一种固定的磁场类型，如水平场、CUSP（勾型场）、纵向场（轴向磁场）等，那么对于现实拉晶生产产品的不同类型，需要不同的磁场分布，现实往往是采购不同种类磁场分布的超导磁体，这势必会给制造企业大大的增加成本。
同时，由于传统的超导设计内部的超导线圈都是固定匝数，多个线圈串联方式通电，那么当给磁场整体通电时，磁场的分布并不会改变，只是随着电流的增加，对应同一个位置的磁场强度增加，这样不能很好的通过改变磁场分布去适应高品质单晶生产的需要。
发明内容
本申请实施例提供了一种超导磁体、磁控拉单晶设备及控制方法，用以解决现有技术中超导磁体无法根据需要改变磁场类型和分布的问题。
一方面，本申请实施例提供了一种超导磁体，包括：
超导线圈，为环形结构，超导线圈包含两个独立的线圈部分，且两个线圈部分沿轴向上下相对设置；
冷屏，设置在超导线圈外部，冷屏为圆环柱状结构；
磁屏蔽铁轭，设置在冷屏外部，磁屏蔽铁轭与冷屏的顶面、底面以及远离轴线的侧面正对；
真空杜瓦内筒体，设置在冷屏外部，真空杜瓦内筒体与冷屏靠近轴线的侧面正对，真空杜瓦内筒体和磁屏蔽铁轭之间围成的空间为真空状态；
制冷机，设置在磁屏蔽铁轭的外侧面上，制冷机分别与超导线圈和冷屏导冷连接；
电流引线，数量为一组，一组电流引线分别与两个线圈部分电连接；
超导电源，与电流引线电连接，电流引线与线圈部分的连接关系发生变化后，超导电源向每个线圈部分输入激励电流，以使每个线圈部分形成的磁场按照需要进行调节。
另一方面，本申请实施例还提供了一种磁控拉单晶设备，包括单晶炉和上述的超导磁体，单晶炉同轴设置在超导磁体内部。
另一方面，本申请实施例还提供了一种磁控拉单晶设备的控制方法，包括：
确定与拉单晶需求匹配的磁场类型和分布；
改变超导线圈每个线圈部分和超导电源的连接关系；
通过超导电源向每个线圈部分中输入激励电流，使线圈部分产生要求的磁场类型和分布。
本申请中的一种超导磁体、磁控拉单晶设备及控制方法，具有以下优点：
1、传统的超导磁体内部的超导线圈都是固定匝数，多个线圈串联，当给磁体通电时，磁场的分布并不会改变，只是随着电流的增加，同一个位置的磁场强度随之增加，这样不能通过改变磁场类型以及分布去适应高品质单晶生产的需要，本申请提出的非对称模式的超导磁体不仅可以产生不同类型的磁场，而且可以实现磁场分布可调，将对生产出高品质的单晶硅有重大的意义。
2、本申请采用改进的控制电流设计方案，通过电磁场调节的方式，实现磁场中平面与硅溶液面的匹配，避免传统磁体通过械轴上、下调节而引入的机械振动，利于消除因振动引起的单晶缺陷。
3、本申请提出新型的电流引线设计方案，使得在超导磁体所产生的磁场可变情况下，电流引线漏热相较传统的磁体方案不增加。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的磁控拉单晶设备的整体结构示意图；
图2为图1中磁控拉单晶设备的剖视图；
图3为本申请实施例提供的超导磁体的1/2剖视图；
图4为本申请实施例提供的冷屏的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的超导磁体在不同通电模式下的受力情况；
图6为传统超导磁体的接线控制电路；
图7为传统接线控制电路下的CUSP磁场分布；
图8为传统接线控制电路下的轴向磁场分布；
图9为本申请实施例提供的超导磁体的接线控制电路；
图10为本申请实施例提供的电流引线的安装结构示意图；
图11为图10中电流引线和插接座的局部放大示意图；
图12为图11中电流引线在插接座中移动后的状态示意图；
图13为本申请实施例提供的非对称通电模式的CUSP磁场分布1；
图14为本申请实施例提供的非对称通电模式的CUSP磁场分布2；
图15为本申请实施例提供的非对称通电模式的轴向磁场分布。
附图标号说明：1-超导磁体，2-单晶炉，3-硅棒组件，101-制冷机，101A-一级冷头，101B-二级冷头，102-超导线圈，103-冷屏，103A-切缝，104-磁屏蔽铁轭，105-真空杜瓦内筒体，106-线圈框架，107-电流引线，107A-常规导体部分，107A-1-可移动部分，107A-2-真空密封结构，107A-3-插接座，107A-4-导电块，107A-5-连接柱，107B-高温超导部分，108-下拉杆，109-上拉杆，110-超导电源，111-保护二极管，201-腔体，202-加热体，203-石英坩埚，204-旋转轴，301-单晶硅棒，302-子晶，303-提拉线，304-多晶硅熔液。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例提供了一种超导磁体，包括：
超导线圈102，为环形结构，超导线圈102包含两个独立的线圈部分，且两个线圈部分沿轴向上下相对设置；
冷屏103，设置在超导线圈102外部，冷屏103为圆环柱状结构；
磁屏蔽铁轭104，设置在冷屏103外部，磁屏蔽铁轭104与冷屏103的顶面、底面以及远离轴线的侧面正对；
真空杜瓦内筒体105，设置在冷屏103外部，真空杜瓦内筒体105与冷屏103靠近轴线的侧面正对，真空杜瓦内筒体105和磁屏蔽铁轭104之间围成的空间为真空状态；
制冷机101，设置在磁屏蔽铁轭104的外侧面上，制冷机101分别与超导线圈102和冷屏103导冷连接；
电流引线107，数量为一组，一组电流引线107分别与两个线圈部分电连接；
超导电源110，与电流引线107电连接，电流引线107与线圈部分的连接关系发生变化后，超导电源110向每个线圈部分输入激励电流，以使每个线圈部分形成的磁场按照需要进行调节。
示例性地，如图1-15所示，两个线圈部分的大小相同，其分别设置在线圈框架106的侧面顶部和底部，以形成上下相对的状态。具体地，线圈框架106可以采用圆环柱状结构，其直径介于冷屏103的内径和外径之间，因此超导线圈102和线圈框架106能够整体安装在冷屏103内部。
冷屏103采用隔热效果较好的材料制成，其可以采用全封闭或开放式结构，采用全封闭结构可以最大程度减小内部的超导线圈102的热负载。在本申请的实施例中，冷屏103采用开放式结构，具体来说冷屏103上设置有多个切缝103A。切缝103A可以设置在冷屏103的内侧面或外侧面上，且沿轴向延伸形成长条状结构。本申请采用切缝103A可以减小因超导线圈102失超瞬间产生过大的涡流导致冷屏103变形。
磁屏蔽铁轭104用于将超导线圈102产生的强磁场限制在朝向轴线的方向上，而不会泄露至超导磁体1外部。
当超导电源110和超导线圈102的连接关系发生变化时，其产生的电磁力也将发生变化，为了使超导线圈102在电磁力变化后仍稳定的处在冷屏103中，本申请中的超导线圈102通过下拉杆108连接在磁屏蔽铁轭104的内底面上，超导线圈102通过上拉杆109连接在磁屏蔽铁轭104的内顶面上。进一步地，由于冷屏103位于超导线圈102外部，因此下拉杆108和上拉杆109需要穿过冷屏103，在安装时可以将冷屏103与下拉杆108和上拉杆109穿过的位置固定连接，以使冷屏103也能处在稳定的位置上。
制冷机101具有一级冷头101A和二级冷头101B，一级冷头101A和二级冷头101B分别与冷屏103和超导线圈102导冷连接。在本申请的实施例中，制冷机101可以采用G-M制冷机，其一级冷头和二级冷头分别将冷屏103和超导线圈102冷却至不同的温度。具体地，可以通过高导热的二级冷头导冷板将二级冷头101B和超导线圈102连接，实现超导线圈102的冷却；同时也可以通过高导热的一级冷头导冷板将一级冷头101A和冷屏103连接，实现冷屏103的冷却，连接的方式可以是焊接，也可以采用螺栓连接来实现。
电流引线107包括常规导体部分107A和高温超导部分107B，高温超导部分107B与超导线圈102电连接，常规导体部分107A滑动插接在磁屏蔽铁轭104上，高温超导部分107B电连接有插接座107A-3，常规导体部分107A滑动插接在插接座107A-3中，常规导体部分107A插入插接座107A-3的深度不同时常规导体部分107A与超导线圈102的连接关系不同。
进一步地，如图10-12所示，一组中的电流引线107数量为两个，两个电流引线107分别与超导电源110的两端电连接，相应地，磁屏蔽铁轭104上设置有两个真空密封结构107A-2，两个电流引线107的常规导体部分107A分别通过一个真空密封结构107A-2插入至磁屏蔽铁轭104内部，同时也确保磁屏蔽铁轭104内部的真空环境不受影响。
两个电流引线107中，一个电流引线107的高温超导部分107B与一个线圈部分的一端电连接，插接座107A-3上设置有四个连接点，四个连接点分别与一个线圈部分的另一端以及另一个线圈部分的两端电连接，其中两个连接点与一个线圈部分的同一端电连接。在插接座107A-3的内底部设置有导电块107A-4，该导电块107A-4在可移动部分107A-1的带动下能够上下移动，在不同的位置上能够实现对两个线圈部分的连接关系不同。
具体地，可移动部分107A-1的下端边缘具有突出部，该突出部与插接座107A-3内部的连接点接触并电连接，且可移动部分107A-1的下端具有连接柱107A-5，该连接柱107A-5的材质与可移动部分107A-1相同，且其外侧面上具有螺纹，导电柱107A-4的顶部设置有与连接柱107A-5匹配的螺孔。当可移动部分107A-1和导电块107A-4处在如图11所示的状态时，可移动部分107A-1仅与连接点2S电连接，而不与连接点2E电连接，导电块107A-4则将连接点2E和1E连接在一起，此时在超导电源110提供电流I1的情况下，图10中线圈部分COIL1的电流从1S流向1E，线圈部分COIL2的电流为从2E流向2S。
需要改变连接关系时，可以将可移动部分107A-1向下移动，当连接柱107A-5与螺孔接触时，可移动部分107A-1向下移动的同时也开始转动，使连接柱107A-5螺接在螺孔中，当连接柱107A-5完全螺接在螺孔中后，将可移动部分107A-1向上拉，带动导电块107A-4在插接座107A-3内部向上移动，当导电块107A-4将插接座107A-3中的中间两个连接点1E和2S连接后，反向转动可移动部分107A-1，使连接柱107A-5从导电块107A-4的螺孔中旋出，在连接柱107A-5完全旋出后，再将可移动部分107A-1适量向上移动，以使可移动部分107A-1，包括连接柱107A-5，和导电块107A-4脱离接触，此时可移动部分107A-1仅和连接点2E电连接，如图12所示，此时流经线圈部分COIL2的电流与图11中流经线圈部分COIL2的电流方向相反，即从2S流向2E，而线圈部分COIL1中电流的方向不变，实现了连接关系的改变。
本申请采用上述结构后，仅采用一组电流引线107即可实现线圈部分的连接改变，实现了传统接线方式下两组电流引线107才能达到的效果，本申请在不增加系统热负载的情况下，使用一台超导磁体1即可产生不同的磁场类型。对于更加特殊的磁场分布改变需求，将通过如图9所示的独立通电模型的方式进行，可以将图10中的两个线圈部分COIL1和COIL2分开，每个线圈部分均采用一组电流引线107和各自的超导电源连接，使两台超导电源110分别对两个线圈部分单独通电，实现非对称模式的磁场分布，如图13、14和15所示，以满足特殊的单晶生长工艺要求，同时通过加电方式实现的磁场中平面偏移ΔH，将改善随着单晶的生长液面下降，传统控制方式中通过旋转轴204上、下升降实现磁场中平面与硅熔液平面的匹配，而引起的机械振动。
同时，本申请还在每个线圈部分的两端并联了保护二极管111，该保护二极管111由两个反向并联的二极管组成，通过设置保护二极管111，可以使超导磁体1发生失超时线圈部分中的大电流通过保护二极管111快速泄放，避免对线圈部分造成损坏。
本申请实施例还提供了一种磁控拉单晶设备，该设备包括单晶炉2和上述的超导磁体1，单晶炉2同轴设置在超导磁体1内部。
示例性地，单晶炉2包括：腔体201；石英坩埚203，设置在腔体201内部，石英坩埚203用于盛放多晶硅物料；加热体202，设置在石英坩埚203外部，加热体202用于对多晶硅物料加热，形成多晶硅熔液304；旋转轴204，设置在石英坩埚203底部。
进一步地，当超导磁体1与单晶炉2安装完成后进行硅棒组件3的生产时，首先使用真空机组对超导磁体1，具体来说是磁屏蔽铁轭104和真空杜瓦内筒体105围成的空间内部进行抽真空，当真空度达到10-2Pa时，打开制冷机101对超导磁体1进行冷却，并采用温度传感器对重要温度检测点进行温度监测，待超导磁体1内部的超导线圈102温度低于超导线材临界温度Tc，此时超导线圈102进入超导状态并具备了通电励磁的能力。然后根据单晶生长的需求，选择合适的磁场类型以及磁场大小，对超导磁体1进行加电，当磁场达到要求值时，将子晶302通过提拉线303放入腔体201中并浸入石英坩埚203中熔融状态的多晶硅液面上部，对提拉线303缓慢提拉实现引晶，并在提拉过程中通过旋转轴204驱动石英坩埚203缓慢转动，需要调节磁场中平面位置时，可以调节超导电源110的输入电流大小，最终根据拉晶工艺，完成单晶硅棒301的生产制作。
本申请实施例还提供了一种磁控拉单晶设备的控制方法，该方法包括以下步骤：
确定与拉单晶需求匹配的磁场类型和分布；
改变超导线圈102每个线圈部分和超导电源110的连接关系；
通过超导电源110向每个线圈部分中输入激励电流，使线圈部分产生要求的磁场类型和分布。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种超导磁体，其特征在于，包括：
超导线圈（102），为环形结构，所述超导线圈（102）包含两个独立的线圈部分，且两个所述线圈部分沿轴向上下相对设置；
冷屏（103），设置在所述超导线圈（102）外部，所述冷屏（103）为圆环柱状结构；
磁屏蔽铁轭（104），设置在所述冷屏（103）外部，所述磁屏蔽铁轭（104）与所述冷屏（103）的顶面、底面以及远离轴线的侧面正对；
真空杜瓦内筒体（105），设置在所述冷屏（103）外部，所述真空杜瓦内筒体（105）与所述冷屏（103）靠近轴线的侧面正对，所述真空杜瓦内筒体（105）和磁屏蔽铁轭（104）之间围成的空间为真空状态；
制冷机（101），设置在所述磁屏蔽铁轭（104）的外侧面上，所述制冷机（101）分别与所述超导线圈（102）和冷屏（103）导冷连接；
电流引线（107），数量为一组，一组所述电流引线（107）分别与两个所述线圈部分电连接；
超导电源（110），与所述电流引线（107）电连接，所述电流引线（107）与所述线圈部分的连接关系发生变化后，所述超导电源（110）向每个所述线圈部分输入激励电流，以使每个所述线圈部分形成的磁场按照需要进行调节。
2.根据权利要求1所述的一种超导磁体，其特征在于，所述电流引线（107）包括常规导体部分（107A）和高温超导部分（107B），所述高温超导部分（107B）与所述超导线圈（102）电连接，所述常规导体部分（107A）滑动插接在所述磁屏蔽铁轭（104）上，所述高温超导部分（107B）电连接有插接座（107A-3），所述常规导体部分（107A）滑动插接在所述插接座（107A-3）中，所述常规导体部分（107A）插入所述插接座（107A-3）的深度不同时所述常规导体部分（107A）与所述超导线圈（102）的连接关系不同。
3.根据权利要求1所述的一种超导磁体，其特征在于，所述冷屏（103）上设置有多个切缝（103A）。
4.根据权利要求1所述的一种超导磁体，其特征在于，所述超导线圈（102）通过下拉杆（108）连接在所述磁屏蔽铁轭（104）的内底面上，所述超导线圈（102）通过上拉杆（109）连接在所述磁屏蔽铁轭（104）的内顶面上。
5.根据权利要求1所述的一种超导磁体，其特征在于，所述制冷机（101）具有一级冷头（101A）和二级冷头（101B），所述一级冷头（101A）和二级冷头（101B）分别与所述冷屏（103）和超导线圈（102）导冷连接。
6.根据权利要求1所述的一种超导磁体，其特征在于，所述冷屏（103）内部设置有线圈框架（106），所述超导线圈（102）设置在所述线圈框架（106）上。
7.根据权利要求1所述的一种超导磁体，其特征在于，每个所述线圈部分的两端均并联有保护二极管（111）。
8.一种磁控拉单晶设备，其特征在于，包括单晶炉（2）和权利要求1-7任一项所述超导磁体（1），所述单晶炉（2）同轴设置在所述超导磁体（1）内部。
9.根据权利要求8所述的一种磁控拉单晶设备，其特征在于，所述单晶炉（2）包括：
腔体（201）；
石英坩埚（203），设置在所述腔体（201）内部，所述石英坩埚（203）用于盛放多晶硅物料；
加热体（202），设置在所述石英坩埚（203）外部，所述加热体（202）用于对所述多晶硅物料加热，形成多晶硅熔液（304）；
旋转轴（204），设置在所述石英坩埚（203）底部。
10.一种磁控拉单晶设备的控制方法，其特征在于，包括：
确定与拉单晶需求匹配的磁场类型和分布；
改变超导线圈（102）每个线圈部分和超导电源（110）的连接关系；
通过所述超导电源（110）向每个所述线圈部分中输入激励电流，使所述线圈部分产生要求的磁场类型和分布。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310925918.6A CN116798724A (zh) | 2023-07-26 | 2023-07-26 | 一种超导磁体、磁控拉单晶设备及控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310925918.6A CN116798724A (zh) | 2023-07-26 | 2023-07-26 | 一种超导磁体、磁控拉单晶设备及控制方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116798724A true CN116798724A (zh) | 2023-09-22 |
Family
ID=88036472
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310925918.6A Pending CN116798724A (zh) | 2023-07-26 | 2023-07-26 | 一种超导磁体、磁控拉单晶设备及控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116798724A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117995505A (zh) * | 2024-04-02 | 2024-05-07 | 西安聚能超导磁体科技有限公司 | 一种可切换场形磁控拉晶超导磁体 |
| CN117995505B (zh) * | 2024-04-02 | 2024-06-07 | 西安聚能超导磁体科技有限公司 | 一种可切换场形磁控拉晶超导磁体 |
-
2023
- 2023-07-26 CN CN202310925918.6A patent/CN116798724A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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