CN1959874A - 用于回旋管的传导冷却超导磁体系统 - Google Patents

Abstract

一种用于回旋管的传导冷却超导磁体系统，超导磁体通过多个超导线圈的不同组合形成复杂的电磁结构，使用不同的电气连接方式形成不同的线圈组合：采用一个主线圈(1)提供所要求的中心磁场，在主线圈(1)外部的两端各放置一个补偿线圈，产生一个磁场均匀区；在主线圈(1)的外面沿着主线圈轴向的不同位置配置多个不同半径的和不同厚度的小补偿线圈，产生更多的磁场均匀区，并通过调节补偿线圈的电流实现磁场的不同压缩比；主线圈(1)与补偿线圈采取不同串并联组合，形成多条电流引线，与外部电源采用多种电气连接方式连接供电，从而实现不同线圈串或并联，形成复杂电磁结构的线圈组合，得到不同磁场均匀区和磁场压缩比。

Description

用于回旋管的传导冷却超导磁体系统

技术领域

本发明涉及一种用于回旋管的传导冷却超导磁体系统，特别涉及一种用于运动系统的可变磁场均匀区的高磁场超导磁体系统。

背景技术

回旋管是一种相对论器件，频率覆盖范围从厘米波到亚毫米波，输出功率巨大，已成为导弹制导、雷达、电子对抗和通信等领域的主要器件之一，在微波系统中有良好的应用前景。大功率回旋管器件，可以产生数兆瓦峰值功率或几十到几百千瓦的连续波功率，需要数万高斯的、高均匀度和高稳定性的特殊位形强磁场环境，并且要求磁体系统体积小、可移动。在大于Φ100mm的较大空间内，采用永磁体或电磁铁磁体提供数万高斯的强磁场是不现实或不经济的，采用超导磁体技术解决是一个经济合理的途径。

制造超导磁体的超导材料在低温下的超导态时电阻为零，在5T的背景磁场下其工程电流密度仍可达(9～10)×10⁴A/cm²，是普通铜导体材料的250倍以上，可以使设备更加紧凑。大功率回旋管所需的特使磁场位形和均匀度可通过不同规格超导线圈的组合实现。超导磁体必须运行于低温条件下。传统超导磁体的冷却需要低温液体(如液氦/液氮)浸泡冷却，实验室回旋管用的超导磁体亦主要采用液氦浸泡冷却技术。对超导磁体系统的运行操作和移动带来诸多不便，同时系统的体积和重量较大，在运动的系统中应用这一传统的超导磁体冷却系统，会产生使用和维护的困难以及系统的运行不稳定。

从目前国内外检索的文献来看，在微波系统中使用的超导磁体仅具有单一恒定的磁场均匀区，不能适应微波系统输出多波段和不同功率的需求。

发明内容

为克服现有技术的缺点，本发明提出一种具有可变磁场均匀区、传导冷却的超导磁体系统，可适应高功率微波系统中使用的高磁场、复杂磁场位形的要求，提高超导磁体系统的使用效率，减小系统的重量和体积，运行操作方便，具备可移动性。

本发明在超导磁体主线圈外按一定规律同轴设置多个补偿线圈，主线圈与补偿线圈采取不同串并联组合，形成多条电流引线，通过改变外部电源与电流引线的连接方式，实现不同的线圈串或并联的线圈组合结构，从而提供不同均匀区域的磁场，同时通过外部电源的调节，改变电流的幅值，调节磁场的变化。

本发明超导磁体系统主要包括超导磁体、低温系统以及电流引线和供电调控系统。超导磁体包括超导主线圈、多个不同位置的超导补偿线圈。低温系统包括低温容器和小型低温制冷系统以及蓄冷保护系统。超导磁体和蓄冷保护系统位于低温容器内部，小型低温制冷系统和蓄冷保护系统相连接，并和超导线圈相连接，使得低温制冷系统、蓄冷保护系统和超导线圈之间具有较好的热交换。超导磁体采用制冷机直接传导冷却，无需液氦和液氮冷却。

本发明通过多个超导线圈的不同组合形成复杂的电磁结构，使用不同的电气连接形成不同的线圈组合：采用一个主线圈提供所要求的中心磁场，在主线圈的外面沿着主线圈轴向的不同位置配置多个不同半径的和不同厚度的小补偿线圈。所有的线圈均采用螺管线圈结构。主线圈和补偿线圈的形状相同，中心线相互重合。线圈相互之间的内外或上下的位置关系因线圈可变均匀区的数目、长度以及磁场压缩比例而定。补偿线圈和主线圈同轴布置，主线圈在补偿线圈的内部。为了获得高磁场均匀度，本发明在主线圈外部的两端各放置一个补偿线圈，产生一个磁场均匀区；在主线圈的外部增加其它同轴补偿线圈，可以产生更多的磁场均匀区，并通过调节补偿线圈的可调电流实现磁场的不同压缩比。补偿线圈数量、大小和位置取决于回旋管对磁场强度、磁场均匀区长度、磁场均匀区数目和磁场压缩比例的要求。一般情况下，补偿线圈补偿线圈数量取决于磁场均匀区的数量，例如一个均匀区的超导磁体至少两个补偿线圈，线圈分布在主线圈的两端。两均匀区的磁体至少三个线圈，两个线圈位于主线圈的端部，第三个线圈位于两端部补偿线圈之间的位置，等等。具体位置和线圈数目的确定使用磁场叠加原理通过数值计算得到。通常改变均匀度线圈和改变磁场压缩比的补偿线圈具有几十到几百匝的线圈。本发明通过线圈之间的不同组合，提供不同的磁场均匀区长度和压缩比例，以满足不同的微波功率和波长的要求。

本发明主线圈[1]与补偿线圈在磁体内部采取不同串联组合方式，形成多条电流引线与外部电源采用多种电气连接方式连接供电，从而实现不同线圈串联形成复杂电磁结构的线圈组合，得到不同磁场均匀区和磁场压缩比。每个磁场均匀区的实现均需要主线圈和其中一对补偿线圈串联供电。主线圈用于产生均匀区的中心磁场，而每组补偿线圈用于调整磁场的分布。通过调节外界电源改变电流的幅值，从而调节磁场的变化。

本发明的电流引线采用Bi2223高温超导管和常规铜带引线的组合形式，充分利用低温系统内的温度分区。在低温系统内，热辐射屏与外真空容器之间的温度为40K-300K，热辐射屏与超导磁体间的温度在40K-4K之间。常规铜带引线位于40K-300K的温区，Bi2223高温超导管位于40K-4K温区。组合电流引线的结构特征是：组合电流引线的上部是高电导的常规铜带引线，下部是Bi2223高温超导管，两者通过焊接相连。高电导的铜带引线上端通过外真空容器和外部的电源相连。铜带引线绝缘后固定在40K的热辐射屏上，下端穿过热辐射屏后与Bi2223高温超导管焊接。

为使线圈和制冷系统有较好的低温热连接，本发明超导主线圈使用黄铜作为骨架。为减小涡流，主线圈的骨架沿轴线方向开有狭小的缝隙，骨架表面喷涂高导热材料。制作时，首先把主线圈绕制在黄铜骨架上，然后在主线圈外面缠绕多层环氧玻璃丝布带，主线圈外有1到2mm厚度的铜条。固化后形成主线圈的绑扎层。该绑扎层经车削加工后作为绕制其它补偿线圈的骨架。补偿线圈绕制在主线圈绑扎层外的上、下两端和中部等部位。由于主线圈的绑扎层厚度只有几毫米，所以主线圈和其外部的补偿线圈间具有良好的导热性能。对于传导冷却的超导磁体来说，这种由黄铜骨架、主线圈、绑扎层、补偿线圈组成的导热结构，可以使得整个磁体的冷却温度更加均匀。

本发明所需的低温环境由外真空容器、超级绝热层、40K热辐射屏、高压氦气容器、热交换器以及制冷机等组成低温容器和蓄冷保护系统产生和维持。低温系统的各部分从外到内依次是：GM制冷机、外真空容器、超级绝热层、40K热辐射屏、多层绝热层、高压氦气容器、热交换器和超导磁体。超级绝热层紧贴在40K热辐射屏的外表面上。GM制冷机的一级冷头穿过外真空容器与40K热辐射屏热连接并提供冷量。在40K热辐射屏内部放置高压氦气容器，二者之间的间隙为10-15mm。同时，在高压氦气容器的外壁上绑扎多层绝热层。超导磁体置于高压氦气容器的中间。GM制冷机的二级冷头穿过热辐射屏后与高压氦容器和超导磁体进行热连接。在超导磁体的外表面上缠绕螺旋管形高热导铜管，作为热交换器，铜管的两端分别与高压氦容器的底部和顶部相连通。

外真空容器内部放置有高压氦气容器和热交换器组成的蓄冷保护系统以及超导磁体。高压氦气容器和热交换器内充满高压氦气。当GM制冷机的二级冷头温度降到4K时，高压氦气容器、热交换器和超导磁体均降温到4K。超导磁体处于超导态。此时，高压氦气容器内的氦气液化成液体，同时，紧贴在超导磁体表面的热交换器的铜管内的氦气也变成液氦。这部分低温液氦储蓄了一定的冷量。随着低温制冷机冷却磁体和高压氦气变成液氦，高压氦气容器和热交换器组成的蓄冷保护系统提供足够的热容以吸收由于磁体充电和放电过程中产生的交流损耗释放出的热量，当超导磁体充放电时，产生的交流损耗使磁体产生温升，热交换器内的液氦挥发吸收热量，有利于提高线圈在充电时的稳定性和系统的充电速率。GM制冷机通过热导结构和超导线圈相连接，从而形成较好的冷却特性。热导结构由多根高热导高纯铜带组成。位于高压氦气容器的外部，高纯铜带上下两端分别与连接超导磁体上下端板和高压氦容器上下端面的导热铜板焊接，中部则与GM制冷机的二级冷头相连。

本发明制冷机的一级和二级冷头之间放置了可缩热管，作为热开关。可缩热管为一段内部充气的波纹管，当超导磁体的温度较高时，热管便将制冷机的一级和二级冷头相连接，此时制冷机的一、二级冷头的冷量直接传给超导磁体。当磁体的温度较低时，热管将自动将一级和二级冷头分开，从而减小系统的冷却时间。

本发明的超导主线圈提供主磁场，通过电流引线和外电源使不同的补偿线圈和主线圈组合提供可变的均匀区域，超导磁体处于低温系统的内部，由低温系统提供超导磁体的低温运行环境，提供回旋管所要求的强磁场。

本发明完全放弃了使用低温液氦和液氮浸泡冷却超导磁体，超导磁体的冷却依靠热传导，传导冷却的超导磁体和低温系统结构简单，操作方便，无需低温流体冷却，不受液氦或其它低温条件的限制。整个超导体磁体系统结构紧凑和轻量化，完全避免了常规超导磁体系统运行所需要的低温液体，如液氮、液氦等带来的操作不便及危险。

本发明的超导磁体系统能够提供稳定的高均匀度的磁场及其所需的磁场位形，可以提供可移动、抗震动、运行可靠的强磁场，适合于特种装备上使用。同时还可极大减少系统运行费用，使系统运行操作和安装更为方便。

附图说明

图1为本发明超导磁体系统组成示意图。图中：1为超导主线圈，2为热辐射屏，3为真空环境，4为GM制冷机，5为Bi2223高温超导管，6为热导结构，7为GM制冷机的一级冷头，8为高压氦气容器，9为外真空容器，10为热交换器，11为可缩热管，12为常规铜带引线，13为GM制冷机的二级冷头，14、15、16、17为超导补偿线圈，18为超级绝热层，19为多层绝热层；

图2为超导磁体结构示意图，20为黄铜骨架，21为超导主线圈的绑扎层；

图3为图2中C处的局部放大图；

图4为图1中超级绝热层18局部A处放大图；

图5为图1中多层绝热层19局部B处放大图；

图6为本发明两均匀区可变磁场的超导磁体的具体实施方式示意图：图中1是超导主线圈；14为可调补偿线圈；15为是上补偿线圈，16为下补偿线圈；17为中间补偿线圈；

图7为图6所示的具体实施方式的线圈接线图；

图8是图6所示的具体实施方式的磁场均匀度分布图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为本发明超导磁体系统组成示意图。如图1所示，由超导主线圈1、补偿线圈14、15、16、17组成的超导磁体放置在高压氦气容器8内。在超导磁体的外表面盘绕螺旋管形热交换器10。热交换器10的上、下两个接口分别与高压氦气容器8的内侧面上端和下端焊接。高压氦气容器8的外侧面覆裹多层绝热层19。超导磁体的上下端板与高压氦气容器8的上下端面分别固定在两块导热铜板上，并与热导结构6的上下两端焊接牢固。热导结构6的中间部位与GM制冷机的二级冷头13相连接。超导磁体和高压氦气容器8吊装在热辐射屏2内。热辐射屏2与GM制冷机的一级冷头7相连接。热辐射屏2的外侧面包裹超级绝热层18。热辐射屏2再吊装在外真空容器9内。

在热辐射屏2与高压氦气容器的下端面之间，安装了作为热开关的可缩热管11。可缩热管11可以缩短系统的冷却时间。

超导磁体各线圈的电气引出线分别焊接到对应的Bi2223高温超导管5的顶端。高温超导管5的顶端经电绝缘后与GM制冷机的二级冷头13热连接。高温超导管5的底端焊接铜带后与穿过热辐射屏2的常规铜带引线12的上端焊接。常规铜带引线12的下端穿过外真空容器9的端部法兰后与外面的超导磁体电源24电气连接。

超导磁体由超导主线圈1、两个端部补偿线圈15、16和一个中间补偿线圈17以及可调补偿线圈14共计五个线圈组成。超导主线圈1位于补偿线圈15、16、17的内部，超导主线圈1和补偿线圈15、16、17同轴。上下两个超导补偿线圈15、16位于主线圈的两端部，超导补偿线圈17位于超导补偿线圈15和16之间。其中，超导主线圈1提供背景磁场，超导补偿线圈15、16、17经与超导主线圈1组合后，用于保证两个均匀区的磁场均匀度。超导磁体的线圈布置分内、外两层。内层为产生背景磁场的超导主线圈1，在磁体的轴线上提供4T左右的磁场。外层线圈为补偿线圈，用来补偿超导主线圈1在轴线上的磁场均匀度。上、下端部的一对补偿线圈15、16用于对250毫米均匀区进行补偿；中间补偿线圈17和上端补偿线圈15用于对150毫米均匀区的补偿。线圈的这种布置可以使磁体制造工艺简单化，更容易实现对磁场均匀度的控制。超导主线圈1和上、下端部的补偿线圈15、16串联通电实现250毫米均匀区；150毫米均匀区则可通过超导主线圈1、上端补偿线圈15和中间补偿线圈17的串联通电来实现。这样，上端的补偿线圈15为公用补偿线圈。最上端的可调补偿线圈14需要由超导磁体电源23单独供电，用于调整磁体轴线上端磁场的位型。整个超导磁体对外引出五根电流引线。3真空环境保证系统和外界具有较好的绝热性能。4GM制冷机提供系统的低温制冷，7GM制冷机的一级冷头用于冷却辐射屏2，18为超级绝热层，用于减小外界的热辐射。

图2所示为线圈整体结构。线圈整体包括主线圈1、上补偿线圈15、下补偿线圈16、中部补偿线圈17，骨架20以及主线圈1的绑扎层21，在绑扎层21外绕有蓄冷保护系统的热交换器10。超导主线圈1绕制在黄铜骨架20上，在超导主线圈1外面绕缠多层环氧玻璃丝布带，固化后形成主线圈的绑扎层21。补偿线圈15、16、17绕制在主线圈绑扎层21外的上、下两端和中部。

图3为图2中C处的局部放大图。如图3所示，超导主线圈1绕制在黄铜骨架20上，超导主线圈1外面为主线圈1的绑扎层21，补偿线圈15绕制在主线圈绑扎层21外的上端，超导磁体置于高压氦气容器8中间。

图4为超级绝热层18局部放大图。如图4所示，超级绝热层18包裹在热辐射屏2的外侧面。

图5为多层绝热层19局部放大图。多层绝热层19覆裹在高压氦气容器8的外侧面。

图6所示为本发明两均匀区可变磁场的超导磁体的具体实施方式。补偿线圈15，16和17位于主线圈1的上、下和中部。可调补偿线圈14位于主线圈1的外部顶端。调整补偿线圈14的电流大小和方向可以改变沿着磁体轴线上的磁场压缩比例。线圈的具体位置和线圈数目的确定，线圈的运行电流密度，磁场的压缩比用磁场叠加原理通过下面方程数值计算得到。

$B_r=\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{coil}}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{Jr}}{2\mathrm{\π}}\underset{i,j=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{i+j}{F}_r(A_i,Z_j)$

$B_z=\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{coil}}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{Jr}}{2\mathrm{\π}}\underset{i,j=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{i+j}{F}_z(A_i,Z_j)$

式中：Br为径向磁场分量，Bz为轴向磁场分量，μ₀为空气导磁系数，F_r和F_z是关于线圈的结构参数的函数，r是径向坐标，J是线圈的平均电流密度，N_coil是线圈的数目，A_i和Z_j是线圈的结构参数。

图6所示具体实施方式的超导磁体线圈接线图如图7所示，供电电源23为补偿线圈14供电，供电电源24为主线圈1和补偿线圈15，16和17供电。主线圈1与上补偿线圈15和下补偿线圈16串联，通过超导磁体电源24供电励磁后，可产生一个磁场均匀区；改变线圈联接方式，令主线圈1与下补偿线圈16和中间补偿线圈17串联，通过控制可变接线开关22，由超导磁体电源24供电励磁后可产生另一个磁场均匀区。

图8为图6所示的具体实施方式的磁场分布图，它表示磁体提供的磁场250mm和150mm的范围内磁场的不均匀性小于0.2％。

本发明实施例可满足回旋管热测实验的磁场位形要求的直流磁场，能够提供长度分别为150mm和250mm的两个均匀磁场区，均匀区的工作磁感应强度为4T，均匀区内的磁场均匀度优于±0.25％。

本发明提供可变均匀区和可变磁场，克服了单一的螺管线圈产生的磁场不能满足系统运行所需要的特殊而复杂的磁场位形需求的缺点，具有使用方便，运行可靠，抗震性能较强和不依赖任何低温液体等优点，可应用于特种装备。

Claims (8)

1、一种用于回旋管的传导冷却超导磁体系统，包括超导磁体、低温系统、电流引线和供电调控系统，其征在于超导磁体包括螺管形超导主线圈(1)和多个不同位置的补偿线圈；低温系统由低温杜瓦、小型低温制冷系统及蓄冷保护系统组成，超导磁体和蓄冷保护系统置于低温杜瓦内部，小型低温制冷系统和蓄冷保护系统相连接，并和超导线圈(1)相连接；超导磁体通过多个超导线圈的不同组合形成复杂的电磁结构，采用不同的电气连接方式形成不同的线圈组合：采用一个主线圈(1)提供中心磁场，在主线圈(1)外部的两端各放置一个补偿线圈，产生一个磁场均匀区；亦可在主线圈(1)外面沿着主线圈(1)轴向的不同位置配置多个不同半径的和不同厚度的小补偿线圈，产生更多的磁场均匀区，并通过调节补偿线圈的电流实现磁场的不同压缩比；补偿线圈和主线圈(1)同轴布置，主线圈(1)位于补偿线圈的内部，和补偿线圈的中心线相互重合；本发明主线圈(1)与补偿线圈采取不同串并联组合，形成多条电流引线，电流引线与外部电源采用多种电气连接方式连接供电；调节外界电源改变电流的幅值，可调节磁场的变化。

2、按照权利要求1所述的用于回旋管的传导冷却超导磁体系统，其特征在于主线圈(1)及补偿线圈均为螺管线圈结构；补偿线圈数量、大小和线圈相互之间的位置关系因磁场可变均匀区的数目、长度以及磁场压缩比例而定；主线圈(1)用于产生均匀区的中心磁场，每组补偿线圈用于调整磁场的分布；每个磁场均匀区的实现均需要主线圈(1)和其中一对补偿线圈串联供电。

3、按照权利要求2所述的用于回旋管的传导冷却超导磁体系统，其特征在于超导线圈的具体位置和线圈数目，线圈的运行电流密度，磁场的压缩比用磁场叠加原理通过下面方程数值计算得到：

$B_r=\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{coil}}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{Jr}}{2\mathrm{\π}}\underset{i,j=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{i+j}{F}_r(A_i,Z_j)$

$B_z=\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{coil}}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{Jr}}{2\mathrm{\π}}\underset{i,j=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{i+j}{F}_z(A_i,Z_j)$

式中：Br为径向磁场分量，Bz为轴向磁场分量，μ₀为空气导磁系数，F_r和F_z是关于线圈的结构参数的函数，r是径向坐标，J是线圈的平均电流密度，N_coil是线圈的数目，A_i和Z_j是线圈的结构参数。

4、按照权利要求1或2所述的用于回旋管的传导冷却超导磁体系统，其特征在于主线圈(1)外表面缠绕有螺旋管形热交换器(10)，热交换器(10)外面有高压氦气容器(8)，热交换器(10)和高压氦气容(8)相连通，热交换器和高压氦气容(8)内充有高压氦气，构成超导磁体蓄冷保护系统。

5、按照权利要求1所述的用于回旋管的传导冷却超导磁体系统，其特征在于电流引线由Bi2223高温超导管和常规铜带引线(12)组合形成，电流引线的上部是高电导的常规铜带引线(12)，下部是Bi2223高温超导管(5)，两者通过焊接相连；高电导的铜带引线(12)上端穿过外真空容器(9)和外部的电源相连；铜带引线(12)绝缘后固定在40K的热辐射屏上，下端穿过热辐射屏(2)后与Bi2223高温超导管[5]焊接；铜带引线(12)位于40K-300K的温区，Bi2223高温超导管(5)位于40K-4K温区。

6、按照权利要求1所述的用于回旋管的传导冷却超导磁体系统，其特征在于制冷机(4)通过热导结构(6)和超导磁体相连接；热导结构(6)由多根高热导高纯铜带组成，位于高压氦气容器(8)的外部，高纯铜带上下两端分别与连接超导磁体上下端板和高压氦容器(8)上下端面的导热铜板焊接，中部则与制冷机(4)的二级冷头(13)相连。

7、按照权利要求1所述的用于回旋管的传导冷却超导磁体系统，其特征在于制冷机(4)的一级冷头(7)和二级冷头(13)之间，位于热辐射屏(2)与高压氦气容器(8)的下端面之间，安装有可缩热管(11)，作为热开关。

8、按照权利要求1所述的用于回旋管的传导冷却超导磁体系统，其特征在于超导主线圈(1)使用黄铜作为骨架，黄铜骨架表面喷涂有高热导材料，沿着骨架的轴线方向开有狭缝；主线圈(1)外表面为由多层环样玻璃丝布缠绕，并装有高热导的铜条，经低温环氧固化形成的绑扎层(21)，该绑扎层经车削加工后作为绕制其它补偿线圈的骨架，补偿线圈绕制在主线圈绑扎层外的上、下两端和中部等部位。

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