CN117809929B - 一种超导磁体 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种超导磁体，涉及电磁铁技术领域。其中超导磁体包括：子磁体，数量为两个，两个子磁体上下相对设置；制冷机，设置在其中一个子磁体上，制冷机用于对两个子磁体降温；间距调节机构，包括螺母运动升降机、运动螺母、电机和传动轴，螺母运动升降机和运动螺母分别设置在下方和上方的子磁体上，螺母运动升降机的顶部设置有丝杆，丝杆螺接在运动螺母内部，电机通过传动轴驱动螺母运动升降机工作，进而调节两个子磁体之间的距离。本申请超导磁体上下两部分分离，中间柔性连接，可以实现线圈间距可调，从而改变中心磁场分布。
Description
技术领域
本申请涉及电磁铁技术领域，特别涉及一种超导磁体。
背景技术
磁控直拉单晶技术（MCZ）是生长大直径高纯度单晶硅的有效手段，该技术生产得到的单晶硅具有含氧量低和均匀性高的优点，为半导体、光伏电池等领域提供高品质单晶硅材料。在多种磁场类型中勾形场（CUSP）最优，对比传统水平磁场，勾形场在晶体—熔体界面和自由表面只有纯粹的水平磁场分量，该水平磁场分量自坩埚轴线向外径方向发散，其值与坩埚半径成正比，而在坩埚侧壁和底部则存在着较强的正交磁场分量，能够更加有效地抑制热对流，增大边界扩散层厚度。
能够产生勾形场的超导磁体由上下分布的两个磁场方向反向串联通电的线圈组成，其设计一般取决于石英坩埚的外形尺寸，在坩埚侧壁和底部产生特定的磁场分布。一旦设计方案确定，上下线圈的间距则无法改变。当厂家想更换不同外形尺寸的坩埚，或因新工艺开发、技术研发需求要改变坩埚内磁场分布时，这种无法调节线圈间距的超导磁体无法满足厂家需求。
发明内容
本申请实施例提供了一种超导磁体，用以解决现有技术中常规勾形场超导磁体上下线圈间距无法调节，磁场分布无法改变的问题。
本申请实施例提供了一种超导磁体，包括：
子磁体，数量为两个，两个子磁体上下相对设置；
制冷机，设置在其中一个子磁体上，制冷机用于对两个子磁体降温；
间距调节机构，间距调节机构包括螺母运动升降机、运动螺母、电机和传动轴，螺母运动升降机和运动螺母分别设置在下方和上方的子磁体上，螺母运动升降机的顶部设置有丝杆，丝杆螺接在运动螺母内部，电机通过传动轴驱动螺母运动升降机工作，进而调节两个子磁体之间的距离。
本申请中的一种超导磁体，具有以下优点：
1、超导磁体上下两部分分离，中间柔性连接，可以实现线圈间距可调，从而改变中心磁场分布。
2、线圈间距调节采用电机驱动，丝杠螺母升降，调节方便，导向杆定位防止上下两部分倾斜。
3、顶杆由金属材料和非金属复合材料圆筒多层嵌套组成，具有支撑强度高，导热路径长、导热系数低、漏热小的特点。
4、超导磁体采用勾形场分布，比目前常规的四线圈、鞍形线圈的水平场更具优势。
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超导磁体的第一视角结构示意图；
图2为本申请实施例提供的线圈骨架和拉杆、顶杆的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的超导磁体的轴向剖面示意图；
图4为本申请实施例提供的超导磁体的局部结构示意图；
图5为本申请实施例提供的顶杆的轴向剖面示意图；
图6为本申请实施例提供的超导磁体的第二视角结构示意图；
图7为本申请实施例提供的螺母运动升降机的结构示意图；
图8为本申请实施例提供的调节前磁场分布示意图；
图9为本申请实施例提供的调节后磁场分布示意图。
附图标号说明：1、子磁体；101、上子磁体；1011、上真空腔；1012、上冷屏；1013、上线圈；102、下子磁体；1021、下真空腔；1022、下冷屏；1023、下线圈；1031、密封波纹管；1032、冷屏柔性连接件；1033、线圈柔性连接件；104、拉杆；105、顶杆；106、制冷机；107、电流引线；2、间距调节机构；201、螺母运动升降机；202、运动螺母；203、电机；204、换向器；205、传动轴；206、导向杆；I、非金属段；II、金属段；A、第一坩埚位置；B、第二坩埚位置。
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。
图1-7为本申请实施例提供的一种超导磁体结构示意图。本申请实施例提供了一种超导磁体，包括：
子磁体1，数量为两个，两个子磁体1上下相对设置；
制冷机106，设置在其中一个子磁体1上，制冷机106用于对两个子磁体1降温；
间距调节机构2，间距调节机构2包括螺母运动升降机201、运动螺母202、电机203和传动轴205，螺母运动升降机201和运动螺母202分别设置在下方和上方的子磁体1上，螺母运动升降机201的顶部设置有丝杆，丝杆螺接在运动螺母202内部，电机203通过传动轴205驱动螺母运动升降机201工作，进而调节两个子磁体1之间的距离。
示例性地，两个子磁体1均为圆环形结构，二者的大小相同，在间距调节机构2的连接下，两个子磁体1处在同轴状态。
在本申请的实施例中，两个子磁体1中位于上方的子磁体称为上子磁体101，而位于下方的子磁体称为下子磁体102。上子磁体101包括上真空腔1011、上冷屏1012和上线圈1013，上线圈1013设置在上冷屏1012内部，上冷屏1012设置在上真空腔1011内部；下子磁体102包括下真空腔1021、下冷屏1022和下线圈1023，下线圈1023设置在下冷屏1022内部，下冷屏1022设置在下真空腔1021内部；制冷机106设置在上真空腔1011的外顶面上，制冷机106的一级冷头与上冷屏1012和下冷屏1022导冷连接，制冷机106的二级冷头与上线圈1013和下线圈1023导冷连接。
在完成对上子磁体101中上真空腔1011、上冷屏1012和上线圈1013的组装，以及下子磁体102中下真空腔1021、下冷屏1022和下线圈1023的组装后，还需要对上真空腔1011和上冷屏1012之间的空间以及下真空腔1021和下冷屏1022之间的空间抽真空，以减小真空腔和冷屏之间的热传递。
进一步地，上真空腔1011和下真空腔1021的外侧面上均设置有导磁材料。通过导磁材料可以有效的隔绝线圈通电后产生的磁场向外泄露，而将磁场限制在内部，保护外部人员和设备的安全。
在一种可能的实施例中，上真空腔1011和下真空腔1021之间通过密封波纹管1031连接，上冷屏1012和下冷屏1022之间通过冷屏柔性连接件1032连接，上线圈1013和下线圈1023之间通过线圈柔性连接件1033连接，线圈柔性连接件1033位于冷屏柔性连接件1032内部，冷屏柔性连接件1032位于密封波纹管1031内部。
示例性地，密封波纹管1031和上真空腔1011以及下真空腔1021的内部空间连通，因此也为真空状态，当上真空腔1011和下真空腔1021发生相对移动时，密封波纹管1031将伸长或缩短，以保持真空状态。相应地，冷屏柔性连接件1032也与上冷屏1012和下冷屏1022的内部空间连通，以适应上冷屏1012和下冷屏1022相对移动时的距离变化。而线圈柔性连接件1033也与上线圈1013和下线圈1023接触，以适应上线圈1013和下线圈1023相对移动时的距离变化。制冷机106一级冷头产生的冷量传递给上冷屏1012的同时，也将通过冷屏柔性连接件1032传递至下冷屏1022，以使上冷屏1012和下冷屏1022同时处在低温状态。而制冷机106二级冷头产生的冷量传递给上线圈1013的同时，也将通过线圈柔性连接件1033传递至下线圈1023，以使上线圈1013和下线圈1023同时处在超导状态。
进一步地，冷屏柔性连接件1032和线圈柔性连接件1033的外侧面上均设置有绝热材料。在设置绝热材料后，可以使冷屏柔性连接件1032和线圈柔性连接件1033因距离调整而发生弯折时，即使与其他结构，例如冷屏柔性连接件1032和密封波纹管1031接触，或线圈柔性连接件1033和冷屏柔性连接件1032接触时，也只会产生很少的漏热。
上线圈1013和下线圈1023按照通电后磁场方向相反的方式串联，二者之间的电连接线捆扎固定在线圈柔性连接件1033上，以实现同步移动。应理解，还可以分别对上线圈1013和下线圈1023通电，以实现更多形式的磁场分布。
在一种可能的实施例中，上线圈1013通过上拉杆与上真空腔1011的内侧面连接，上线圈1013还通过上顶杆与上冷屏1012的外侧面连接，上顶杆的顶端与上真空腔1011的内侧面接触；下线圈1023通过下拉杆与下真空腔1021的内侧面连接，下线圈1023还通过下顶杆与下冷屏1022的外侧面连接，下顶杆的底端与下真空腔1021的内侧面接触。
示例性地，上拉杆和下拉杆的结构相同，合称为拉杆104，而上顶杆和下顶杆的结构相同，合称为顶杆105。拉杆104用于承受拉力，以使上线圈1013悬吊在上真空腔1011中，也将下线圈1023悬吊在下真空腔1021中，使上线圈1013和上真空腔1011不会直接接触，同时也使下线圈1023和下真空腔1021不会直接接触，避免因直接接触产生漏热。同时，拉杆104还穿过上冷屏1012和下冷屏1022，也起到对上冷屏1012和下冷屏1022的悬吊连接作用，避免上冷屏1012和上线圈1013、上真空腔1011直接接触，也避免下冷屏1022和下线圈1023和下真空腔1021直接接触。而顶杆105则承受压力，当上线圈1013和下线圈1023通电后，将产生相互之间的斥力F，此时斥力F将作用在顶杆105上，避免因斥力导致变形。
进一步地，上顶杆和下顶杆的结构相同，均由多个非金属段I和金属段II交替设置并连接形成，其中金属段II的上端和下端分别连接在一个非金属段I的上端和相邻的非金属段I的下端，多个非金属段I同轴且依次嵌套设置。采用这种折回的结构，可以在有限的空间中大大延长热量传递的路径，同时减小热量传递时的横截面积，而且非金属段I和金属段II交替设置，最终减少漏热的发生。本申请的实施例中，非金属段I和金属段II的连接处采用环氧胶固定。
在一种可能的实施例中，螺母运动升降机201和运动螺母202的数量均为两个，两个螺母运动升降机201分别设置在子磁体1的相对两侧，两个运动螺母202也分别设置在子磁体1的相对两侧，且每个运动螺母202均位于一个螺母运动升降机201的正上方，电机203通过换向器204将输入驱动力转换为两路输出驱动力，两路输出驱动力分别用于驱动两个螺母运动升降机201工作。
示例性地，螺母运动升降机201的作用是将水平输入的驱动力转换为竖直向上的驱动力，进而使丝杆在竖直面内转动。而换向器204的作用也是将由电机203输入的一路输入驱动力转换为两路同步的输出驱动力，以分别驱动两个螺母运动升降机201。螺母运动升降机201的内部结构和换向器204内部的结构相似，均由至少一组锥齿轮完成对驱动方向的转换。
进一步地，两个子磁体1之间还通过导向杆206滑动连接。导向杆206的数量也为两个，因此两个丝杆和两个导向杆206能够确保上子磁体101在竖直方向上移动，不会发生倾斜。
本申请实施例还提供了一种磁场分布调节方法，该方法包括以下步骤：
启动电机203，使电机203驱动螺母运动升降机201工作，进而调节两个子磁体1之间的距离；
当达到需要的距离后，停止电机203。
示例性地，在启动电机203之前，需要先进行准备工作。将制冷机106的进出气口与压缩机用氦气软管连接，对上真空腔1011和下真空腔1021抽真空，当真空度低于10-3Pa时撤掉真空泵组，打开制冷机106进行降温，将上线圈1013和下线圈1023降温至4K以下。将电流引线107分别与超导电源的正负极连接，以恒定速度对子磁体1加电产生磁场，当达到工作电流时保持稳定，磁场分布恒定。
如图8-9所示，当现有的坩埚处在第一坩埚位置A且需要更换为处在第二坩埚位置B的坩埚时，可以调节两个子磁体1之间的距离，进而使调节后的磁场分布满足更换坩埚后的需要。当然也可以不更换坩埚，而通过调节两个子磁体1之间距离的方式直接调节磁场分布。
在需要增大子磁体1之间的距离时，对电机203通电正转，运动螺母202带动上真空腔1011上升，从而使上线圈1013和下线圈1023的间距增大至H1，改变后的磁场分布恒定。在需要减小子磁体1之间的距离时，对电机203通电反转，运动螺母202带动上真空腔1011下降，从而使上线圈1013和下线圈1023的间距减小至H2，改变后的磁场分布恒定。
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 (4)
1.一种超导磁体，其特征在于，包括：
子磁体（1），数量为两个，两个所述子磁体（1）上下相对设置；
制冷机（106），设置在其中一个所述子磁体（1）上，所述制冷机（106）用于对两个所述子磁体（1）降温；
间距调节机构（2），包括螺母运动升降机（201）、运动螺母（202）、电机（203）和传动轴（205），所述螺母运动升降机（201）和运动螺母（202）分别设置在下方和上方的所述子磁体（1）上，所述螺母运动升降机（201）的顶部设置有丝杆，所述丝杆螺接在所述运动螺母（202）内部，所述电机（203）通过所述传动轴（205）驱动所述螺母运动升降机（201）工作，进而调节两个所述子磁体（1）之间的距离；
所述子磁体（1）包括位于上方的上子磁体（101）和位于下方的下子磁体（102），所述上子磁体（101）包括上真空腔（1011）、上冷屏（1012）和上线圈（1013），所述上线圈（1013）设置在所述上冷屏（1012）内部，所述上冷屏（1012）设置在所述上真空腔（1011）内部，所述下子磁体（102）包括下真空腔（1021）、下冷屏（1022）和下线圈（1023），所述下线圈（1023）设置在所述下冷屏（1022）内部，所述下冷屏（1022）设置在所述下真空腔（1021）内部；
所述上线圈（1013）还通过上顶杆与所述上冷屏（1012）的外侧面连接，所述上顶杆的顶端与所述上真空腔（1011）的内侧面接触，所述下线圈（1023）还通过下顶杆与所述下冷屏（1022）的外侧面连接，所述下顶杆的底端与所述下真空腔（1021）的内侧面接触；
所述上顶杆和下顶杆的结构相同，均包括多个非金属段（I）和金属段（II），所述非金属段（I）和金属段（II）交替连接，其中所述金属段（II）的上端和下端分别连接在一个所述非金属段（I）的上端和相邻的所述非金属段（I）的下端，多个所述非金属段（I）同轴且依次嵌套设置；
所述制冷机（106）设置在所述上真空腔（1011）的外顶面上，所述制冷机（106）的一级冷头与所述上冷屏（1012）和下冷屏（1022）导冷连接，所述制冷机（106）的二级冷头与所述上线圈（1013）和下线圈（1023）导冷连接；
所述上真空腔（1011）和下真空腔（1021）之间通过密封波纹管（1031）连接，所述上冷屏（1012）和下冷屏（1022）之间通过冷屏柔性连接件（1032）连接，所述上线圈（1013）和下线圈（1023）之间通过线圈柔性连接件（1033）连接，所述线圈柔性连接件（1033）位于所述冷屏柔性连接件（1032）内部，所述冷屏柔性连接件（1032）位于所述密封波纹管（1031）内部；
所述冷屏柔性连接件（1032）和线圈柔性连接件（1033）的外侧面上均设置有绝热材料；
所述上线圈（1013）通过上拉杆与所述上真空腔（1011）的内侧面连接，所述下线圈（1023）通过下拉杆与所述下真空腔（1021）的内侧面连接。
2.根据权利要求1所述的一种超导磁体，其特征在于，所述上真空腔（1011）和下真空腔（1021）的外侧面上均设置有导磁材料。
3.根据权利要求1所述的一种超导磁体，其特征在于，所述螺母运动升降机（201）和运动螺母（202）的数量均为两个，两个所述螺母运动升降机（201）分别设置在所述子磁体（1）的相对两侧，两个所述运动螺母（202）也分别设置在所述子磁体（1）的相对两侧，且每个所述运动螺母（202）均位于一个所述螺母运动升降机（201）的正上方，所述电机（203）通过换向器（204）将输入驱动力转换为两路输出驱动力，两路所述输出驱动力分别用于驱动两个所述螺母运动升降机（201）工作。
4.根据权利要求1所述的一种超导磁体，其特征在于，两个所述子磁体（1）之间还通过导向杆（206）滑动连接。
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