CN117524692A - 一种控制电路、超导磁体及磁控拉单晶设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种控制电路、超导磁体及磁控拉单晶设备，控制电路包括：超导线圈，为环形结构，超导线圈包含两个独立的线圈部分，且两个线圈部分左右相对设置；电流引线，一组电流引线分别与两个线圈部分电连接；电源，与电流引线电连接，电源向超导线圈输入激励电流后由线圈产生磁场，且电流引线与线圈部分的连接关系发生变化后，电源输入的激励电流使每个线圈部分形成的磁场按照需要进行调节。本申请通过对两个超导线圈内部通电方式的控制，实现了水平磁场和CUSP类型磁场的切换，可以极大的降低设备的采购成本。

Description

一种控制电路、超导磁体及磁控拉单晶设备

技术领域

本申请涉及超导磁体技术领域，特别涉及一种控制电路、超导磁体及磁控拉单晶设备。

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，导致国内缺乏相关基础研究和技术积累。

根据已有的文献可知，截止目前，磁控拉单晶用超导磁体领域，国内生产技术水平仍然相对较低，国内消耗的大部分集成电路及其硅片仍然依赖进口。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。然而，以上专利申请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超导磁体产生多种可变的磁场分布，以满足现实拉单晶复杂多变的磁场分布要求，进而控制企业生产的成本。

发明内容

本申请实施例提供了一种控制电路、超导磁体及磁控拉单晶设备，用以解决现有技术中一个超导磁体只能产生一种类型的磁场，无法满足拉单晶对多种类型磁场需求的问题。

一方面，本申请实施例提供了一种控制电路，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，且两个线圈部分左右相对设置；

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；

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，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超导磁体，包括冷屏、磁屏蔽铁轭、杜瓦内筒体、制冷机和上述的控制电路；

冷屏设置在控制电路中超导线圈的外部，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；

杜瓦内筒体设置在冷屏外部，杜瓦内筒体与冷屏靠近轴线的侧面正对；

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。

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。

本申请中的一种控制电路、超导磁体及磁控拉单晶设备，具有以下优点：

1、本申请通过对两个马鞍形线圈内部通电方式的控制，实现了水平磁场和CUSP（勾型场）类型磁场的切换，可以极大的降低半导体单晶硅企业设备的采购成本。

2、本申请采用可移动电流引线设计，使得在超导磁体内部电流接线可变换，从而产生磁场可变的磁场，相较与将每个线圈进、出线都直接引出到超导磁体外部进行变换接线的方式，本申请的漏热得到了极大改善。

3、本申请可以根据单晶硅生长的需要进行马鞍形线圈角的角度调节，从而产出生产所需要的磁场分布情况，例如当=180时，此时马鞍形线圈将完全等效为传统CUSP上、下两个线圈的结构。

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轴向剖面图；

图3为本申请实施例提供的马鞍形线圈的立体结构示意图；

图4为本申请实施例提供的马鞍形线圈在电流方向相同时产生的水平场示意图；

图5为本申请实施例提供的传统超导线圈的结构示意图；

图6为传统超导磁体产生的CUSP磁场分布；

图7为本申请实施例提供的马鞍形线圈和传统超导线圈的结构对比对意图；

图8为本申请实施例提供的超导磁体产生的CUSP磁场分布；

图9为本申请实施例提供的马鞍形线圈的侧视图；

图10为传统超导磁体的控制电路示意图；

图11为本申请实施例提供的超导磁体的控制电路；

图12为本申请实施例提供的电流引线的安装结构示意图；

图13为图12中电流引线在插接座中移动后的状态示意图；

附图标号说明：1-超导磁体，2-单晶炉，3-拉单晶附件，101-制冷机，102-超导线圈，102A-第一线圈部分，102B-第二线圈部分，102C-第三线圈部分，102D-第四线圈部分，103-冷屏，104-磁屏蔽铁轭，105-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，108-一级导冷板，109-二级导冷板，110-电源，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控制电路，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，且两个线圈部分左右相对设置；

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；

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，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1-13所示，两个线圈部分的形状和大小均相同，两个线圈部分分别为第一线圈部分102A和第二线圈部分102B，两个线圈部分均为环形的马鞍形结构，其分别设置在线圈框架106外侧面的相对两侧，以形成左右相对的状态。具体地，线圈框架106可以采用圆环柱状结构。当两个线圈部分102A和102B分别输入相同方向和不同方向的激励电流时，其产生的水平场和CUSP类型场分别如图4和8所示。图5-6为传统超导线圈和产生的CUSP类型场示意图，传统超导线圈的接线方式固定，无论其第三线圈部分102C和第四线圈部分102D采用相同的电流方向还是不同的电流方向，其电流方向都是固定不变的，因此只能产生竖直场或CUSP类型场，而无法通过改变接线方式在一个超导磁体中形成不同类型的磁场，而本申请仅采用一组电流引线107连接两个线圈部分，电流引线107和线圈部分的连接关系可根据需要调整，进而在不同的需求下产生水平场或CUSP类型场，满足拉单晶生产中复杂的磁场类型需求。

在一种可能的实施例中，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，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。

示例性地，如图11-13所示，一组中的电流引线107数量为两个，两个电流引线107分别与电源110的两端电连接。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，导电块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12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，此时在电源110提供电流I1的情况下，图11中线圈部分COIL1的电流从1S流向1E，线圈部分COIL2的电流从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13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。对于更加特殊的磁场分布改变需求，将通过改变马鞍形线圈的角的方式进行，以满足特殊的单晶生长工艺要求。

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。

本申请还提供了一种超导磁体，包括冷屏103、磁屏蔽铁轭104、杜瓦内筒体105、制冷机101和上述的控制电路；

冷屏103设置在控制电路中超导线圈102的外部，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；

杜瓦内筒体105设置在冷屏103外部，杜瓦内筒体105与冷屏103靠近轴线的侧面正对；

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。

示例性地，当线圈框架106采用圆环柱状结构时，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。磁屏蔽铁轭104上可以设置有两个真空密封结构107A-2，一组中的两个电流引线107的常规导体部分107A分别通过一个真空密封结构107A-2滑动插接至磁屏蔽铁轭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。

冷屏103采用隔热效果较好的材料制成，其可以采用全封闭结构，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。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通过下拉杆连接在磁屏蔽铁轭104的内底面上，同时超导线圈102也通过上拉杆连接在磁屏蔽铁轭104的内顶面上。进一步地，由于冷屏103位于超导线圈102外部，因此下拉杆和上拉杆需要穿过冷屏103，在安装时可以将冷屏103与下拉杆和上拉杆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具有一级冷头和二级冷头，一级冷头通过一级导冷板108与冷屏103导冷连接，二级冷头通过二级导冷板109与超导线圈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。上述的导冷连接的方式可以是焊接，也可以采用螺栓连接来实现。

同时，本申请还在每个线圈部分的两端并联了保护二极管，该保护二极管由两个反向并联的二极管组成，通过设置保护二极管，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安装完成后配合拉单晶附件3进行生产时，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。

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)

1.一种控制电路，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左右相对设置；

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；

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所述的一种控制电路，其特征在于，所述线圈部分为环形的马鞍形结构。

3.根据权利要求1所述的一种控制电路，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。

4.根据权利要求3所述的一种控制电路，其特征在于，一组中的两个所述电流引线（107）中，一个所述电流引线（107）的所述高温超导部分（107B）与一个所述线圈部分的一端电连接，所述插接座（107A-3）上设置有四个连接点，四个所述连接点分别与一个所述线圈部分的另一端以及另一个所述线圈部分的两端电连接，所述插接座（107A-3）的内底部设置有导电块（107A-4），所述导电块（107A-4）在可移动部分（107A-1）的带动下上下移动，当所述导电块（107A-4）位于所述插接座（107A-3）内部的不同位置时对两个所述线圈部分的连接关系不同。

5.根据权利要求4所述的一种控制电路，其特征在于，所述可移动部分（107A-1）的下端具有连接柱（107A-5），所述连接柱（107A-5）的外侧面上具有螺纹，所述导电块（107A-4）的顶部设置有与所述连接柱（107A-5）匹配的螺孔，当所述可移动部分（107A-1）向下移动后，所述连接柱（107A-5）与螺孔接触时，所述可移动部分（107A-1）转动使所述连接柱（107A-5）螺接在所述螺孔中，所述可移动部分（107A-1）向上移动时带动所述导电块（107A-4）在所述插接座（107A-3）内部向上移动。

6.一种超导磁体，其特征在于，包括冷屏（103）、磁屏蔽铁轭（104）、杜瓦内筒体（105）、制冷机（101）和权利要求1-5任一项所述的控制电路；

所述冷屏（103）设置在所述控制电路中超导线圈（102）的外部，所述冷屏（103）为圆环柱状结构；

所述磁屏蔽铁轭（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；

所述杜瓦内筒体（105）设置在所述冷屏（103）外部，所述杜瓦内筒体（105）与所述冷屏（103）靠近轴线的侧面正对；

所述制冷机（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。

7.根据权利要求6所述的一种超导磁体，其特征在于，所述控制电路中电流引线（107）的常规导体部分（107A）滑动插接在所述磁屏蔽铁轭（104）上。

8.根据权利要求6所述的一种超导磁体，其特征在于，所述制冷机（101）具有一级冷头和二级冷头，所述一级冷头通过一级导冷板（108）与所述冷屏（103）导冷连接，所述二级冷头通过二级导冷板（109）与所述超导线圈（102）导冷连接。

9.一种磁控拉单晶设备，其特征在于，包括单晶炉（2）和权利要求6所述的超导磁体（1），所述单晶炉（2）同轴设置在所述超导磁体（1）内部。

10.根据权利要求9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。