CN219181972U - 一种超导组元磁场控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超导组元磁场控制系统，其特征在于，包括多层磁屏蔽结构、磁场测量及退磁系统、磁场补偿系统；多层磁屏蔽结构包括一恒温器外筒，恒温器外筒内设有低温磁屏蔽结构和常温磁屏蔽结构；常温磁屏蔽结构安装在恒温器外筒与低温磁屏蔽结构之间；低温磁屏蔽结构由内外两层磁屏蔽体构成，内层磁屏蔽体包裹在超导腔液氦槽外侧，外层磁屏蔽体设在所述内层磁屏蔽体外侧；磁场测量及退磁系统，用于实时测量恒温器外筒不同空间位置的磁场大小和超导腔传感器所在位置的环境磁场；以及对恒温器外筒、超导组元进行退磁处理；磁场补偿系统，用于对超导腔环境磁场进行调节控制。本系统可以实现超导腔磁场环境的灵活设置，提升了超导组元的性能。

Description

一种超导组元磁场控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种高性能超导组元磁场控制系统，属于粒子加速器、超导低温技术领域。

背景技术

为了更深入的探索研究物质的深层次结构，揭示自然界的奥秘和规律，并推动基础研究在技术领域的应用，超导加速器已经成为科学家们关注的焦点。超导加速器能够在很短的距离内将粒子加速到较高的能量，可以让这些高能粒子相互对撞进行高能物理研究，也可以利用粒子发出的射线进行生命物质、材料结构的分析研究。因此国内外多个超导加速器大科学工程装置应运而生，如美国正在建造的直线加速器相干光源(LCLSII)、上海硬X射线自由电子激光装置(SHINE)、多个国家计划联合建造的未来国际直线对撞机项目(ILC)，以及由中国科学院高能物理研究所提出的未来环形对撞机(CEPC)等工程项目,为了高的电子束能量需要大量的超导组元。

超导组元是超导加速器的关键核心设备，其作用是为带电粒子提供能量，相当于汽车的发动机。超导组元主要由超导腔、耦合器、调谐器、恒温器等多个部分构成，结构复杂。超导组元内部的超导腔浸泡在液氦中工作在2K～4.2K的温度，腔内部是高真空，耦合器、调谐器与超导腔集成到一起工作在恒温器内部的隔热真空环境中，恒温器外部是大气室温环境。

由于超导组元的制造工艺复杂，配套低温设备等价格昂贵，运行成本高，因此需要进一步提高超导组元性能，减少超导组元的数量，降低超导加速器建造和运行的成本。超导组元性能的一个重要性能参数是超导腔的表面电阻，降低超导腔的表面电阻可以提升超导腔的Q₀值，减小低温损耗，超导腔也可以工作在更高的加速梯度下，从而达到降低成本的目的。影响超导腔表面电阻的一个重要因素是超导腔所处环境的磁场，超导组元降温过程中，当超导腔降至超导转变温度时会发生磁通俘获，环境中的磁场会被钉扎在超导腔中，导致超导腔的表面电阻升高。因此需要对超导组元的磁场进行有效控制，降低超导腔所处的环境磁场，以便降低超导腔的表面电阻，提升超导组元的性能。超导腔所处的环境磁场主要受三个方面的影响：地磁场、恒温器筒体剩磁，以及工装部件剩磁。需要有效的方法对上述三个方面的磁场进行控制，降低超导腔所处的环境磁场；能够根据需要对超导腔所处的环境磁场大小进行调整，以便开展超导腔电磁特性的实验研究；并可以将环境磁场补偿至可以接受的安全限内保证超导腔的高Q₀性能不受外界磁场影响。

目前国内外通用的降低超导腔环境磁场的方法是通过高磁导率的材料加工成筒体，并安装在超导腔外表面对环境磁场进行屏蔽处理，如图1所示。磁屏蔽按照在恒温器筒子内部，超导腔外侧。此方案存在以下缺点和不足：

(1)对超导腔的环境磁场屏蔽只能到10mGs左右，很难再降低，不能满足高性能超导腔的要求，并且磁屏蔽筒开孔，也会降低对地磁及周围设备部件剩磁的屏蔽效果；

(2)无法对磁屏蔽内部超导腔工装部件磁场进行屏蔽补偿；

(3)当超导组元变换位置方向后，超导腔环境磁场也会由于空间位置的变化而变化；

(4)无法灵活设定和改变超导腔区域的环境磁场，对超导腔进行性能测试研究。

以上四点在一定程度上影响了超导组元的性能，不利于超导腔性能改进提升的实验研究，对高性能超导组元大规模应用和降低运行成本也造成一定影响。

实用新型内容

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的在于提供一种高性能超导组元磁场控制系统，进一步降低超导腔所在区域的环境磁场，并可以实现超导腔磁场环境的灵活设置，进行超导腔的性能提升实验研究，提升超导组元的性能。

本申请的技术方案为：

一种超导组元磁场控制系统，其特征在于，包括多层磁屏蔽结构、磁场测量及退磁系统、磁场补偿系统；

所述多层磁屏蔽结构包括一恒温器外筒，所述恒温器外筒内设有低温磁屏蔽结构和常温磁屏蔽结构；所述常温磁屏蔽结构安装在所述恒温器外筒与所述低温磁屏蔽结构之间；所述低温磁屏蔽结构由内外两层磁屏蔽体构成，内层磁屏蔽体包裹在超导腔液氦槽外侧，外层磁屏蔽体设在所述内层磁屏蔽体外侧，所述外层磁屏蔽体与所述内层磁屏蔽体之间通过绝热支撑进行热绝缘支撑；

所述磁场测量及退磁系统，用于实时测量所述恒温器外筒不同空间位置的磁场大小和超导腔传感器所在位置的环境磁场，并将其发送给上位机控制系统；以及对恒温器外筒、超导组元进行退磁处理；

所述磁场补偿系统，用于根据超导腔各位置的磁场与设定的磁场参数值，对超导腔环境磁场进行调节控制。

进一步的，所述磁场测量及退磁系统包括恒温器外筒体磁场测量及退磁系统、超导组元整体磁场测量及退磁系统；所述恒温器外筒体磁场测量及退磁系统，用于实时测量所述恒温器外筒不同空间位置的磁场大小，并显示到上位机控制系统上；以及当对所述恒温器外筒设定位置进行退磁处理时，通过上位机控制系统的控制对该设定位置进行退磁处理；所述超导组元整体磁场测量及退磁系统，用于实时测量超导腔传感器所在位置的环境磁场，并显示到上位机控制系统上；以及当对超导组元进行退磁处理时，通过上位机控制系统的控制对超导组元进行退磁处理。

进一步的，所述恒温器外筒体磁场测量及退磁系统包括第一磁场测量装置和三组退磁线圈；第一磁场测量装置包括测量车、测磁仪、电机、同步带、轨道以及轨道支撑架；所述轨道通过所述轨道支撑架安装在所述恒温器外筒的内部，所述测量车位于所述轨道上且与所述同步带连接，所述测量车上安装有所述测磁仪；所述电机用于驱动所述同步带牵引所述测量车在轨道上移动，所述测磁仪用于实时测量所述恒温器外筒不同空间位置的磁场大小，并显示到上位机控制系统上；三组退磁线圈分别设置在所述恒温器外筒的两端及中部且可沿恒温器外筒轴向移动；当对所述恒温器外筒设定位置进行退磁处理时，根据测量磁场的结果移动相应退磁线圈的位置，并通过上位机控制系统对退磁线圈施加电流对该设定位置进行退磁处理。

进一步的，所述超导组元整体磁场测量及退磁系统包括第二磁场测量装置和三组退磁线圈；所述第二磁场测量装置包括低温测磁仪，所述低温测磁仪安装在所述外层磁屏蔽体与所述内层磁屏蔽体之间，并通过数据线连接到外部的上位机控制系统上，用于实时测量超导腔传感器安装位置的环境磁场并发送给所述上位机控制系统；三组退磁线圈分别设置在所述恒温器外筒的两侧及中部且可沿恒温器外筒轴向移动，当对超导组元进行退磁处理时，根据低温测磁仪的磁场测量结果，移动相关退磁线圈的位置，并通过上位机控制系统对退磁线圈施加电流对超导组元进行退磁处理。

进一步的，所述磁场补偿系统包括磁场补偿线圈，所述磁场补偿线圈缠绕固定在所述恒温器外筒的外侧。

进一步的，所述常温磁屏蔽结构的材料为坡莫合金1J85；所述外层磁屏蔽体、所述内层磁屏蔽体的材料均为莫合金1J79。

进一步的，所述轨道、所述轨道支撑架采用无磁的铝合金材质，所述同步带采用橡胶材质。

进一步的，所述常温磁屏蔽结构安装在紧贴所述恒温器外筒的内侧。

本实用新型的优点如下：

(1)采用多层磁屏蔽结构，提升屏蔽效果，降低超导腔区域环境磁场；

(2)增加退磁线圈及磁场测量系统，对恒温器外筒及内部零部件剩磁进行退磁处理，降低超导腔环境背景磁场；

(3)当超导组元空间位置变化，或是整体空间磁场变化后，可以利用退磁线圈及磁场测量系统再次对组元整体进行退磁处理，降低背景磁场；

(4)增加磁场补偿系统，对超导组元轴向磁场进行补偿，并可以灵活设置轴向磁场大小进行实验研究。

附图说明

图1为传统超导组元环境磁场屏蔽示意图。

图2为本申请超导组元磁场控制方案示意图。

图3为多层磁屏蔽结构安装示意图。

图4为恒温器外筒体磁场测量及退磁结构示意图。

图5为超导组元整体磁场测量及退磁结构示意图。

图6为超导组元磁场补偿系统结构示意图。

图7为超导组元磁场控制系统架构及通讯示意图。

附图标记：1-恒温器外筒，2-低温磁屏蔽，3-超导腔，4-支撑座，5-退磁线圈，6-常温磁屏蔽结构，7-低温测磁仪，8-磁场补偿线圈，9-绝热支撑，10-轨道支架，11-轨道，12-同步带，13-电机，14-常温测磁仪(三轴)，15-测量车，16-上层操作及显示界面，17-RS485总线，18-数据采集及控制硬件系统，19-GPIB总线，20-功放，21-直流电源，22-吊杆。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图2所示，本方案设计的超导组元磁场控制方案主要由多层磁屏蔽结构、磁场测量及退磁系统、磁场补偿系统等多个部分组成。能够满足超导腔磁场环境的要求，并可以灵活设定环境磁场参量进行超导腔的性能改进提升研究。

①多层磁屏蔽结构：

如图3所示为多层磁屏蔽结构安装示意图。多层磁屏蔽结构由低温磁屏蔽结构和常温磁屏蔽结构两部分构成，两部分都位于超导组元的恒温器外筒内部，处于隔热真空中。低温磁屏蔽结构由内外两层磁屏蔽体构成，超导腔通过吊杆悬挂在恒温器外筒内部，内层磁屏蔽体直接包裹在超导腔液氦槽外侧，外层磁屏蔽体装在内层磁屏蔽体外侧，两层磁屏蔽体之间通过绝热支撑进行热绝缘支撑，并且保证两层磁屏蔽筒体之间的间隙均匀，并防止筒体发生变形；常温磁屏蔽结构安装在紧贴恒温器外筒的内侧，低温磁屏蔽结构固定在超导腔液氦槽外侧与常温磁屏蔽结构无直接接触。通过多层磁屏蔽结构形成相对的磁封闭空间，提高对地磁场及设备部件剩磁的屏蔽效果，有效降低超导腔所处环境磁场。

②磁场测量及退磁系统

磁场测量及退磁系统主要由两部分构成：一是恒温器外筒体磁场测量及退磁系统，二是超导组元整体磁场测量及退磁系统，如图4、图5所示。

如图4所示为超导恒温器外筒体的磁场测量及退磁系统结构示意图。此系统主要由第一磁场测量装置和退磁线圈构成。第一磁场测量装置由测量车、测磁仪、电机、同步带、轨道、以及轨道支撑架，以及上位机控制系统构成。轨道通过轨道支撑架安装在恒温器外筒体内部，测量车落在轨道上，测量车上安装有测磁仪，测磁仪的位置可以根据需要进行位置调整。电机转动时通过同步带牵引测量车在轨道上移动，测磁仪实时测量恒温器外筒体不同空间位置的磁场大小，并显示到上位机控制系统上，并且可以通过上位机控制系统设定磁场测量的位置。

退磁线圈共设置三组，恒温器端部每侧各一组退磁线圈，恒温器中间一组退磁线圈，每组退磁线圈可以在一定范围内沿着恒温器外筒轴向移动。当对恒温器外筒体进行退磁处理时，根据测量磁场的结果，移动退磁线圈的位置，并通过上位机控制系统对退磁线圈施加特定参数的电流对恒温器外筒体进行退磁处理。

如图5所示为超导组元整体磁场测量及退磁结构示意图。此系统主要由第二磁场测量装置和退磁线圈构成。第二磁场测量装置由低温测磁仪和上位机控制系统构成。低温测磁仪安装在低温磁屏蔽的两层磁屏蔽体之间，并通过数据线连接到外部的上位机控制系统上，通过低温测磁仪可以实时测量超导腔传感器安装位置的环境磁场。

退磁线圈分为三部分，恒温器的两侧各一组，恒温器中间一组，每组线圈可以在一定范围内沿着恒温器外筒轴向移动。当对超导组元进行退磁处理时，根据低温测磁仪测量磁场的结果，移动退磁线圈的位置，并通过上位机控制系统对退磁线圈施加特定参数的电流对超导组元整体进行退磁处理。

③磁场补偿系统

如图6所示为超导组元磁场补偿系统结构示意图。其主要由磁场补偿线圈、低温测磁仪，以及外部电流源和磁场控制系统等部分构成。磁场补偿线圈按照一定的空间距离均匀的缠绕固定在恒温器外筒体外侧，低温测磁仪安装在低温磁屏蔽体之间。测磁仪实时监测超导腔不同位置的磁场，判断超导腔的环境磁场变化情况，并与磁场补偿线圈形成闭环，根据外部控制系统设定的磁场参数值进行超导腔环境磁场的调节(磁场调节范围0～300mGs，调节精度小于1mGs，线圈均匀度误差小于5％)。通过此磁场补偿系统能够实现超导腔环境磁场的精密调节和控制，进一步降低剩磁对超导腔性能的影响，并可以设定多种磁场环境开展实验研究。

④系统架构及通讯：

如图7所示为超导组元磁场控制系统架构及通讯示意图。系统分为三层架构：上层为上位机控制系统，进行具体操作及显示；中间层为数据采集及控制硬件系统，进行测量数据的采集和对执行硬件设备的控制；底层为设备层，负责具体指令功能的执行。上层和中间层采用RS485总线通讯方式，中间层和底层设备层采用GPIB总线通讯方式。

超导组元磁场控制分三步走：第一步，恒温器外筒体及零部件设备测磁及退磁；第二部，超导组元内部多层磁屏蔽体结构安装；第三步，超导组元整体磁场测量及退磁。

多层磁屏蔽筒体，常温磁屏蔽结构采用坡莫合金1J85进行加工制作，低温磁屏蔽两层内外结构可以采用坡莫合金1J79制作，以便保证材料的屏蔽效果。退磁线和磁场补偿线圈可以采用6平方带绝缘皮铜线进行绕制，线圈的支撑工装可以采用无磁的铝合金材料。轨道和轨道支撑架采用无磁的铝合金材质，同步带采用橡胶材质。低温测磁仪可以选用英国Bartington的商业传感器探头，也可以专门开发研制。电机可以用市场上普通的步进电机。上层采集及闭环控制系统可以采用labview程序软件或C++进行开发。

尽管为说明目的公开了本实用新型的具体实施例，其目的在于帮助理解本实用新型的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本实用新型不应局限于最佳实施例所公开的内容，本实用新型要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种超导组元磁场控制系统，其特征在于，包括多层磁屏蔽结构、磁场测量及退磁系统、磁场补偿系统；

所述多层磁屏蔽结构包括一恒温器外筒，所述恒温器外筒内设有低温磁屏蔽结构和常温磁屏蔽结构；所述常温磁屏蔽结构安装在所述恒温器外筒与所述低温磁屏蔽结构之间；所述低温磁屏蔽结构由内外两层磁屏蔽体构成，内层磁屏蔽体包裹在超导腔液氦槽外侧，外层磁屏蔽体设在所述内层磁屏蔽体外侧，所述外层磁屏蔽体与所述内层磁屏蔽体之间通过绝热支撑进行热绝缘支撑；

所述磁场测量及退磁系统，用于实时测量所述恒温器外筒不同空间位置的磁场大小和超导腔传感器所在位置的环境磁场，并将其发送给上位机控制系统；以及对恒温器外筒、超导组元进行退磁处理；

所述磁场补偿系统，用于根据超导腔各位置的磁场与设定的磁场参数值，对超导腔环境磁场进行调节控制。

2.根据权利要求1所述的超导组元磁场控制系统，其特征在于，所述磁场测量及退磁系统包括恒温器外筒体磁场测量及退磁系统、超导组元整体磁场测量及退磁系统；所述恒温器外筒体磁场测量及退磁系统，用于实时测量所述恒温器外筒不同空间位置的磁场大小，并显示到上位机控制系统上；以及当对所述恒温器外筒设定位置进行退磁处理时，通过上位机控制系统的控制对该设定位置进行退磁处理；所述超导组元整体磁场测量及退磁系统，用于实时测量超导腔传感器所在位置的环境磁场，并显示到上位机控制系统上；以及当对超导组元进行退磁处理时，通过上位机控制系统的控制对超导组元进行退磁处理。

3.根据权利要求2所述的超导组元磁场控制系统，其特征在于，所述恒温器外筒体磁场测量及退磁系统包括第一磁场测量装置和三组退磁线圈；第一磁场测量装置包括测量车、测磁仪、电机、同步带、轨道以及轨道支撑架；所述轨道通过所述轨道支撑架安装在所述恒温器外筒的内部，所述测量车位于所述轨道上且与所述同步带连接，所述测量车上安装有所述测磁仪；所述电机用于驱动所述同步带牵引所述测量车在轨道上移动，所述测磁仪用于实时测量所述恒温器外筒不同空间位置的磁场大小，并显示到上位机控制系统上；三组退磁线圈分别设置在所述恒温器外筒的两端及中部且可沿恒温器外筒轴向移动；当对所述恒温器外筒设定位置进行退磁处理时，根据测量磁场的结果移动相应退磁线圈的位置，并通过上位机控制系统对退磁线圈施加电流对该设定位置进行退磁处理。

4.根据权利要求2所述的超导组元磁场控制系统，其特征在于，所述超导组元整体磁场测量及退磁系统包括第二磁场测量装置和三组退磁线圈；所述第二磁场测量装置包括低温测磁仪，所述低温测磁仪安装在所述外层磁屏蔽体与所述内层磁屏蔽体之间，并通过数据线连接到外部的上位机控制系统上，用于实时测量超导腔传感器安装位置的环境磁场并发送给所述上位机控制系统；三组退磁线圈分别设置在所述恒温器外筒的两侧及中部且可沿恒温器外筒轴向移动，当对超导组元进行退磁处理时，根据低温测磁仪的磁场测量结果，移动相关退磁线圈的位置，并通过上位机控制系统对退磁线圈施加电流对超导组元进行退磁处理。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的超导组元磁场控制系统，其特征在于，所述磁场补偿系统包括磁场补偿线圈，所述磁场补偿线圈缠绕固定在所述恒温器外筒的外侧。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的超导组元磁场控制系统，其特征在于，所述常温磁屏蔽结构的材料为坡莫合金1J85；所述外层磁屏蔽体、所述内层磁屏蔽体的材料均为莫合金1J79。

7.根据权利要求3所述的超导组元磁场控制系统，其特征在于，所述轨道、所述轨道支撑架采用无磁的铝合金材质，所述同步带采用橡胶材质。

8.根据权利要求1所述的超导组元磁场控制系统，其特征在于，所述常温磁屏蔽结构安装在紧贴所述恒温器外筒的内侧。

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