CN210535437U - 一种传导冷却磁控拉单晶超导磁体装置 - Google Patents

Abstract

一种传导冷却磁控拉单晶超导磁体装置，包括铁轭外筒；铁轭外筒内设有真空外杜瓦；真空外杜瓦内设有冷屏；冷屏内设有两个线圈骨架；每个线圈骨架上各设有一个马鞍形超导线圈；两个马鞍形超导线圈通过左右线圈连接板连接；左右线圈连接板的外侧设有导冷板；导冷板底部设有线圈冷体支撑杆；导冷板上部设有G‑M制冷机；G‑M制冷机还设有电流引线；真空机组抽真空，GM制冷机冷却测试样品；当内部马鞍形线圈温度达到设计值时，开启励磁电源，调节电流的大小，二元电流引线对超导线圈进行通电励磁，电流达到要求值后，可配合单晶生长炉进行磁控拉单晶生产；具有结构简单、磁场利用率高、使用成本低的特点。

Description

一种传导冷却磁控拉单晶超导磁体装置

技术领域

本实用新型属于超导磁体技术领域，具体涉及一种传导冷却磁控拉单晶超导磁体装置。

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，该项技术被日、美、德等国完全垄断。

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领域，由于单晶硅加工制备的区域性及垄断性，导致目前国外研制单位主要为日本的住友（Sumitomo），东芝（Toshiba）及日本超导技术公司（Jastec）等企业，同时该领域磁体制备技术几乎完全处于保密、封锁状态。国内单晶硅相关研究虽与日本同时起步，但就目前总体而言，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。但经过多年的积累与发展正迎头赶上，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，以前的磁体大都存在如下问题，如磁体线圈多为2个圆形线圈、4个圆形线圈结构甚至更多，结构复杂、磁场利用率不高，特别是4线圈及以上结构由于线圈与线圈之间磁场有相互抵消的问题，导致磁场利用率较低，因此相同磁场需求下超导线的用量较多成本较高，且漏场较大因此需要较厚的铁轭作为屏蔽材料，以减小对磁体附近电磁设备及人员的影响等诸多问题。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种传导冷却磁控拉单晶超导磁体装置，磁体装置相对于传统的常规电磁铁可以提供更高的磁场强度，并通过新概念的提出，该磁体对磁场的利用率更高，因此相同磁场强度要求情况下，相对传统的磁控拉单晶磁体生产成本更低，具有结构简单、磁场利用率高、使用成本低的特点。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种传导冷却磁控拉单晶超导磁体装置，包括有铁轭外筒；铁轭外筒内设有真空外杜瓦；真空外杜瓦内设有冷屏；冷屏内设有两个线圈骨架；每个线圈骨架上各设有一个马鞍形超导线圈，两个马鞍形超导线圈呈左右对称状设置；两个马鞍形超导线圈通过左右线圈连接板连接；左右线圈连接板的外侧设有导冷板；导冷板底部设有线圈冷体支撑杆；导冷板上部设有G-M制冷机；G-M制冷机与左右线圈连接板之间的导冷板处设有电流引线。

所述的马鞍形超导线圈两端之间的圆周角

为小于180°。

所述的线圈冷体支撑杆采用热传导系数为小于1W/m-K的非金属材料。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型马鞍形线圈结构可以较传统2线圈或者4线圈磁体提高了磁场利用率，产生相同中心磁场B强度的情况下，使用超导线材量更少、因此生产成本低廉、便于大规模批量生产；同时，由于超导线圈使用的量较少，那么线圈的质量会较小，因此采用相同数量制冷机冷却磁体时，所需要的冷却时间也会更短等优势，提高了磁体的使用效率；超导线的用量少，也使得磁体整体电感较小，相同加电速率情况下，通电励磁所需的电源最高电压相对普通拉单晶磁体更低，因此也节约了，通电电源的成本。

本实用新型的马鞍形线圈结构提高了磁场利用率，产生相同中心磁场B强度的情况下，磁体的漏磁更小，对周围的电磁设备及人影响更小，同时如需采用磁屏蔽进行漏磁防护所需要的铁轭材料将大大减少；

左、右马鞍形超导线圈采用环形支撑板进行连接，并采用线圈冷体支持结构将超导线圈与外部杜瓦热源进行，隔离较小系统漏热；

由于马鞍形线圈在左右线圈的连接处漏磁小，G-M制冷机可以布置在整个磁体的中间高度处，从而减小了冷传导路径的长度，节约了磁体从常温冷却到超导线材临界温度一下的时间，提高了磁体的运行效率；

由于本实用新型采用G-M制冷机直接冷却，避免了对液氦稀缺资源的依赖性；

由于本实用新型马鞍形线圈的圆周角

，可以根据磁场需要进行调节，具有极大的灵活性，且线圈整体呈圆弧形，所占的空间大小相对传统的螺线管线圈更小，最终使得磁体所占的空间位置更小。

与现有技术相比，本实用新型由于采用马鞍形新型的超导线圈结构，使得磁场利用率更高，从而使得相同磁场强度需求情况下，该直拉单晶超导线使用量更少，线圈质量更轻，采用G-M传导冷却时间更短，且运行不依赖与液氦稀缺资源；磁体该装置更为简单；磁体的漏场较低，所需要的铁轭磁屏蔽材料较少，对附近的电磁设备及人员影响更小；综上，因此生产该种磁控拉单晶超导成本更为低廉、且便于大规模批量生产。

本实用新型的超导线圈结构，使得直拉单晶磁体该装置简单、磁场利用率更高单位磁场强度情况下超导线使用量更少，因此生产成本低廉、便于大规模批量生产。

同时，本实用新型的传导冷却磁控拉单晶超导磁体，为推动单晶硅制备磁体的国产化，实现国家单晶硅制备技术的快速发展具有重要的现实需求和科学意义。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构示意图。

图2（a）是磁体内部超导线圈结构及磁场在中平面上的分布图。

图2（b）是磁体内部超导线圈结构及磁场在中平面上的分布情况俯视图。

图中：1、铁轭外筒；2、真空外杜瓦；3、冷屏；4、线圈骨架；5、超导线圈；6、左右线圈连接板；7、G-M制冷机；8、导冷板；9、线圈冷体支撑杆；10、电流引线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1、图2（a）～（b），一种传导冷却磁控拉单晶超导磁体装置，包括有铁轭外筒1；铁轭外筒1内设有真空外杜瓦2；真空外杜瓦2内设有冷屏3；冷屏3内设有两个线圈骨架4；每个线圈骨架4上各设有一个马鞍形超导线圈5，两个马鞍形超导线圈5程左右对称状设置；两个马鞍形超导线圈5通过左右线圈连接板6连接；左右线圈连接板6的外侧设有导冷板8；导冷板8 底部设有线圈冷体支撑杆9；导冷板8 上部设有G-M制冷机7；G-M制冷机7与左右线圈连接板6之间的导冷板8处设有电流引线10。导冷板8的作用是将G-M制冷机的冷量传导给超导线圈，进行冷却降温；电流引线10为高温超导电流引线，可以减小系统热传导漏热及减小通电励磁时的焦耳热。

所述的马鞍形超导线圈5的圆周角

为可变量，依据磁场的要求进行变化。

本实用新型的一种马鞍形状新型的超导线圈结构，该结构不仅仅局限于NbTi线超导线材对于其他超导材料也一样适用；

马鞍形线圈结构可以较传统2线圈或者4线圈磁体提高了磁场利用率，产生相同中心磁场B强度的情况下，使用超导线材量更少、因此生产成本低廉、便于大规模批量生产；同时，由于超导线圈使用的量较少，那么线圈的质量会较小，因此采用相同数量制冷机冷却磁体时，所需要的冷却时间也会更短等优势，提高了磁体的使用效率；超导线的用量少，也使得磁体整体电感较小，相同加电速率情况下，通电励磁所需的电源最高电压相对普通拉单晶磁体更低，因此也节约了，通电电源的成本。

马鞍形线圈结构提高了磁场利用率，产生相同中心磁场B强度的情况下，磁体的漏磁更小，对周围的电磁设备及人影响更小，同时如需采用磁屏蔽进行漏磁防护所需要的铁轭材料将大大减少；

左、右马鞍形超导线圈采用环形支撑板6进行连接，并采用线圈冷体支撑杆9将超导线圈与外部杜瓦热源进行热隔离，减小系统漏热；

由于马鞍形线圈在左右线圈的连接处漏磁小，G-M制冷机可以布置在整个磁体的中间高度处，从而减小了冷传导路径的长度，节约了磁体从常温冷却到超导线材临界温度一下的时间，提高了磁体的运行效率；

采用G-M制冷机直接冷却，避免了对液氦稀缺资源的依赖性；

马鞍形线圈在图2中的

角，可以根据磁场需要进行调节，具有极大的灵活性，且线圈整体呈圆弧形，所占的空间大小相对传统的螺线管线圈更小，最终使得磁体所占的空间位置更小。

首先，本磁体由马鞍形超导线圈5构成左、右对称的结构如图2所示，它们在电路上为串联结构，超导线圈是绕制在骨架4上面，线圈骨架4为马鞍形超导线圈提供结构支撑，抵抗运行时电磁力所导致的超导线圈变形，同线圈骨架4也充当了超导线圈的导冷结构，通过导冷板8与G-M制冷机7进行连接，从而实现了降温的可能性，但是由于G-M制冷机在低温下的冷量较低，为保证线圈能被冷却到超导线材临界温度以下，本专利中磁体，首先需要通过线圈冷体支撑杆9（线圈冷体支撑杆采用热传导系数小于1W/m-K的非金属材料），将超导线圈与真空外杜瓦2进行隔离，同时为了减小热辐射采用冷屏3，将线圈与真空外杜瓦进行隔绝。

在运行时，根据使用须求可以在超导磁体真空外杜瓦外面增加一个铁轭外筒1，进行磁场屏蔽，以进一步减小漏磁对附近电磁设备的影响，当然铁轭1不是必须的，因为对于马鞍形超导线圈结构，磁体本身的漏磁相对会低很多。

在运行时，如果为进一步减小漏磁对附近电磁设备的影响，而在超导磁体真空外杜瓦外面增加一个铁轭外筒1进行磁场屏蔽，那么左、右超导线圈与铁轭之间就会存在较大的电磁力，为防止超导线圈被吸引到铁轭上，需要在左、右超导线圈之间增加左、右马鞍形超导线圈连接结构6，以使得超导线圈在与外部铁轭进行相互作用时不被破坏。

测试运行：当磁控拉单晶磁体生产完成后，首先使用真空机组进行抽真空，当真空度达到10^-2Pa量级时，打开GM制冷机对测试样品进行冷却，并采用温度传感器对重要温度检测点进行温度监测。当内部马鞍形线圈温度达到设计值时并稳定后，开启励磁电源，调节电流的大小，通过二元电流引线10，对超导线圈进行通电励磁，最后当电流达到要求值后，可备合单晶生长炉进行磁控拉单晶生产。

Claims (3)

1.一种传导冷却磁控拉单晶超导磁体装置，包括有铁轭外筒（1）；铁轭外筒（1）内设有真空外杜瓦（2）；真空外杜瓦（2）内设有冷屏（3）；冷屏（3）内设有两个线圈骨架（4）；其特征在于，每个线圈骨架（4）上各设有一马鞍形超导线圈（5），两个马鞍形超导线圈（5）程左右对称状设置；两个马鞍形超导线圈（5）通过左右线圈连接板（6）连接；左右线圈连接板（6）的外侧设有导冷板（8）；导冷板（8）底部设有线圈冷体支撑杆（9）；导冷板（8）上部设有G-M制冷机（7）；G-M制冷机（7）与左右线圈连接板（6）之间的导冷板（8）处设有电流引线（10）。

2.根据权利要求1所述的一种传导冷却磁控拉单晶超导磁体装置，其特征在于，所述的马鞍形超导线圈（5）两端之间的圆周角

为小于180°。

3.根据权利要求1所述的一种传导冷却磁控拉单晶超导磁体装置，其特征在于，所述的线圈冷体支撑杆（9）采用热传导系数为小于1W/m-K的非金属材料。

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