PL248567B1 - Przyrząd do wytwarzania silnych pól magnetycznych - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest przyrząd do wytwarzania silnych pól magnetycznych, mający zastosowanie w laboratoriach naukowych, zwłaszcza do badania zjawisk fizycznych i właściwości materiałów, wymagających dużych wartości indukcji pola magnetycznego.

Z monografii zatytułowanej „High Magnetic Fields, Science and Technology, Vol. 1, Magnet Technology and Experimental Techniques” autorstwa Fritza Herlacha i Noboru Miury, wydanej przez Wydawnictwo Word Scientific w New Jersy, Londynie, Singapurze, Hong Kongu, Taipei i Bangalore w 2002 r. jest znanych kilka cewek do wytwarzania silnych pól magnetycznych. Jedna z nich zawiera cylindryczny karkas z osiowym otworem, na którym zostało nawinięte uzwojenie z drutu nadprzewodnikowego w izolacji, wykonanego ze stopu niobu i cyny. Karkas znajduje się w kriostacie chłodzonym ciekłym helem, a uzwojenie jest zasilane ze źródła prądu stałego. Użyteczne, silne pole magnetyczne jest wytwarzane w osiowym otworze. Duga cewka, nazywana polihelikalną, zawiera spiralę śrubową, zwiniętą z grubego pręta wykonanego z brązu berylowego i umieszczoną w cylindrycznym naczyniu, przez które przepływa woda chłodząca. Końce spirali są przyłączone do źródła prądu stałego o dużym natężeniu, a użyteczne, silne pole magnetyczne jest wytwarzane wewnątrz spirali. Trzecia ze znanych cewek, nazywana magnesem Bittera, zawiera pakiet złożony z płyt w kształcie pierścieni, wykonanych z miedzi albo z brązu berylowego. W każdej z płyt jest wykonane radialne przecięcie i siatka otworów do przepływu wody chłodzącej. Płyty są pokryte z jednej strony warstwą izolacji o takim samym kształcie jak płyty i mającej wycinek w kształcie wąskiego, trójkątnego sektora nie pokrywającego płyty. Wszystkie płyty są nałożone jedna na drugą w ten sposób, że stykają się ze sobą sektorami nie pokrytymi izolacją i przez to tworzą uzwojenie śrubowe w kształcie cylindra złożonego z pakietu płyt. Pakiet płyt jest ściśnięty śrubami i umieszczony w naczyniu, przez które przepływa woda chłodząca. Końce uzwojenia są przyłączone do źródła prądu stałego o dużym natężeniu, a użyteczne, silne pole magnetyczne jest wytwarzane w otworze pakietu.

Również z podręcznika zatytułowanego „High Magnetic Fields, Applications, Generations, Materials” pod redakcją Hansa J. Schneider-Muntau z National High Magnetic Field Laboratory na Florydzie, wydanego przez Wydawnictwo Word Scientific w Singapurze, New Jersy, Londynie i Hong Kongu w 1997 r. są znane cewki do wytwarzania silnych pól magnetycznych o analogicznej konstrukcji i zasadzie działania, jak cewki z wcześniej cytowanej monografii autorstwa Fritza Herlacha i Noboru Miury.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że przyrząd do wytwarzania silnych pól magnetycznych z elementami wolframowymi zawiera rurę złożoną z dwóch współosiowych stożków ściętych, połączonych ze sobą większymi podstawami i mającą cylindryczny, przelotowy otwór roboczy, współosiowy ze stożkami ściętymi oraz podłużną szczelinę, przechodzącą radialnie przez całą grubość ścianki rury. Rura jest wykonana z wolframu. Powierzchnie stożków ściętych są pokryte warstwą izolacyjną, zaś podłużna szczelina jest wypełniona przekładką izolacyjną. Warstwa izolacyjna i przekładka izolacyjna są wykonane z materiału nie przewodzącego prądu elektrycznego i odpornego na wysoką temperaturę, korzystnie z azbestu. Rura złożona z dwóch współosiowych stożków ściętych jest umieszczona wewnątrz obudowy, złożonej z dwóch walców, walca górnego i walca dolnego, mających współosiowe, stożkowe otwory o takim samym kształcie, jak kształt stożków ściętych, tworzących rurę oraz cylindryczne kanały chłodzące, przechodzące równolegle do osi obudowy i rozmieszczone symetrycznie na całym przekroju poprzecznym walców. Walce są dociskane do stożków rury czterema symetrycznie rozmieszczonymi śrubami, przechodzącymi przez otwory w walcach równoległe do osi tych walców i zaopatrzonymi w nakrętki, przy czym walce oraz śruby z nakrętkami są wykonane z wolframu. Dolny walec ma wkręcone w jego dolną podstawę cztery symetrycznie rozmieszczone, prostopadłościenne wsporniki, wykonane z tekstolitu i oba walce są umieszczone wewnątrz kriostatu, wypełnionego ciekłym helem, którego górna powierzchnia sięga powyżej górnych końców śrub. Dno kriostatu jest połączone z rurą wlotową, wyposażoną w zawór odcinający i ma przykręcone od dołu cztery symetrycznie rozmieszczone, prostopadłościenne podpory, zaś górna powierzchnia kriostatu jest połączona z rurą wylotową. Przez boczną ścianę kriostatu i walce przechodzą radialnie cztery przewody zasilające, umieszczone w tulejkach izolacyjnych, nie pokrywających końców przewodów i końce tych przewodów zwrócone do osi kriostatu są osadzone na wcisk w stożkach w ten sposób, że po dwa końce przewodów znajdują się w każdym ze stożków po obu stronach przekładki izolacyjnej, zaś wystające na zewnątrz kriostatu końce przewodów są przyłączone do biegunów do źródła prądu o dużym natężeniu w ten sposób, że para przewodów wychodząca z jednej strony przekładki izolacyjnej łączy się z jednym bie gunem. Przewody są wykonane z wolframu, a tulejki izolacyjne z silikonu. W górnej powierzchni kriostatu jest osadzona współosiowo na wcisk tulejka, której dolny koniec jest połączony szczelnie z górną powierzchnią górnego walca i w tulejce jest umieszczona, też współosiowo, wymienna rurka, której górny koniec ma osadzony na wcisk kołnierz oporowy, zaś do dolnego końca rurki jest przymocowana badana próbka, do której są przyłączone przewody, przechodzące przez rurkę do aparatury pomiarowej. Dolny koniec otworu roboczego w dolnym walcu jest zamknięty zaślepką w kształcie kołowej tarczy, wciśniętą do tego otworu. Kriostat, rura wlotowa, zawór odcinający, podpory, rura wylotowa, wymienna rurka, kołnierz oporowy i zaślepka są wykonane z metalu nieferromagnetycznego, korzystnie ze stali austenitycznej.

Przyrząd do wytwarzania silnych pól magnetycznych z elementami molibdenowymi ma taką samą konstrukcję, jak przyrząd z elementami wolframowymi z tą różnicą, że rura złożona z dwóch ściętych stożków oraz obudowa złożona z walców i cztery przewody zasilające są wykonane z molibdenu.

Zaletą rozwiązania jest wytwarzanie silnych stałych pól magnetycznych o indukcji kilkudziesięciu tesli i silnych impulsowych pól magnetycznych o indukcji kilkuset tesli przy niewielkim poborze mocy prądu elektrycznego i zabezpieczenie przyrządu przed rozerwaniem w kierunku radialnym przez siły elektrodynamiczne.

Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykładach wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia przekrój osiowy, podłużny przyrządu płaszczyzną A-A, fig. 2 stanowi jego przekrój poprzeczny płaszczyzną B-B, natomiast fig. 3 pokazuje widok zewnętrzny przyrządu z boku, zaś fig. 4 jest widokiem przyrządu z góry.

Przykład wykonania przyrządu z elementami wolframowymi

Przyrząd do wytwarzania silnych pól magnetycznych zawiera rurę złożoną z dwóch współosiowych, stożków ściętych 1, 2, połączonych ze sobą większymi podstawami i mającą cylindryczny, przelotowy otwór roboczy 3, współosiowy ze stożkami ściętymi 1,2 oraz podłużną szczelinę, przechodzącą radialnie przez całą grubość ścianki rury, przy czym rura jest wykonana z wolframu. Powierzchnie stożków ściętych 1, 2 są pokryte warstwą izolacyjną 4, zaś podłużna szczelina jest wypełniona przekładką izolacyjną 5, przy czym warstwa izolacyjna 4 i przekładka izolacyjna 5 są wykonane z azbestu. Rura złożona z dwóch współosiowych stożków ściętych 1, 2 jest umieszczona wewnątrz obudowy, złożonej z dwóch walców, walca górnego 6 i walca dolnego 7, mających współosiowe, stożkowe otwory o takim samym kształcie Jak kształt stożków ściętych 1,2, tworzących rurę oraz cylindryczne kanały chłodzące 8, przechodzące równolegle do osi obudowy i rozmieszczone symetrycznie na całym przekroju poprzecznym walców 6, 7. Walce 6, 7 są dociskane do stożków rury 1,2 czterema symetrycznie rozmieszczonymi śrubami 9, przechodzącymi przez otwory w walcach 6, 7 równolegle do osi walców 6, 7 i zaopatrzonymi w nakrętki 10, przy czym walce 6, 7 oraz śruby 9 z nakrętkami 10 są wykonane z wolframu. Dolny walec 7 ma wkręcone w jego dolną podstawę cztery symetrycznie rozmieszczone, prostopadłościenne wsporniki 11, wykonane z tekstolitu i oba walce 6, 7 są umieszczone wewnątrz kriostatu 12, wypełnionego ciekłym helem 13, którego górna powierzchnia sięga powyżej górnych końców śrub 9. Dno kriostatu 12 jest połączone z rurą wlotową 14, wyposażoną w zawór odcinający 15 i ma przykręcone od dołu cztery symetrycznie rozmieszczone, prostopadłościenne podpory 16, zaś górna powierzchnia kriostatu 12 jest połączona z rurą wylotową 17. Przez boczną ścianę kriostatu 12 i walce 6, 7 przechodzą radialnie cztery przewody zasilające 18, umieszczone w tulejkach izolacyjnych 19, nie pokrywających końców przewodów 18 i końce zwrócone do osi kriostatu 12 są osadzone na wcisk w stożkach 1, 2 w ten sposób, że po dwa końce przewodów 18 znajdują się w każdym ze stożków 1,2 po obu stronach przekładki izolacyjnej 5, zaś wystające na zewnątrz kriostatu 12 końce przewodów 18 są przyłączone do biegunów źródła prądu o dużym natężeniu w ten sposób, że para przewodów wychodząca z jednej strony przekładki izolacyjnej 5 łączy się z jednym biegunem. Przewody 18 są wykonane z wolframu, a tulejki izolacyjne 19 z silikonu. W górnej powierzchni kriostatu 12 jest osadzona współosiowo na wcisk tulejka 20, której dolny koniec jest połączony szczelnie z górną powierzchnią górnego walca 6 i w tulejce 20 jest umieszczona, też współosiowo, wymienna rurka 21, której górny koniec ma osadzony na wcisk kołnierz oporowy 22, zaś do dolnego końca rurki 21 jest przymocowana badana próbka 23, do której są przyłączone przewody 24, przechodzące przez rurkę 21 do aparatury pomiarowej. Dolny koniec otworu roboczego 3 w dolnym walcu 7 jest zamknięty zaślepką 25 w kształcie kołowej tarczy, wciśniętą do tego otworu, a ponadto kriostat 12, rura wlotowa 14, zawór odcinający 15, podpory 16, rura wylotowa 17, wymienna rurka 21, kołnierz oporowy 22 i zaślepka 25 są wykonane z metalu nieferromagnetycznego, korzystnie ze stali austenitycznej.

Przykład wykonania przyrządu z elementami molibdenowymi

Przyrząd do wytwarzania silnych pól magnetycznych ma taką samą konstrukcję, jak przyrząd z elementami wolframowymi z tą różnicą, że rura złożona z dwóch stożków ściętych 1,2 oraz obudowa złożona z walców 6, 7 i cztery przewody zasilające 18 są wykonane z molibdenu.

Zasada działania przyrządu do wytwarzania silnych pól magnetycznych polega na tym, że otwiera się zawór odcinający 15 i do kriostatu 12 wpompowuje ciekły hel 13 poprzez rurę wlotową 14, aż do osiągnięcia przez ciekły hel 13 poziomu powyżej górnych końców śrub 9. Ciekły hel 13 powoduje wychłodzenie zawartych w kriostacie 12 elementów. Ogrzany przez to ciekły hel 13 paruje i jego pary 26, zbierające się nad górną powierzchnią helu ciekłego 13, wypływają przez rurę wylotową 17. Po wychłodzeniu zawartych w kriostacie elementów do temperatury wrzenia ciekłego helu 13, wynoszącej 4,2 K, załącza się zasilacz do wystających z kriostatu 12 końców przewodów 18, co powoduje przepływ stałego albo impulsowego prądu elektrycznego przez przewody 18 i przez rurę z podłużną szczeliną złożoną z dwóch stożków ściętych 1, 2, która spełnia rolę cewki jednozwojowej. Ponieważ, wolfram i molibden w temperaturze wrzenia ciekłego helu wykazują unikalną właściwość, polegającą na tym, że nie przechodzą w stan nadprzewodzący, ale mają niezwykle małą rezystywność rzędu 10^-13 Qm, to natężenie prądu osiąga bardzo dużą wartość i możliwe jest wytworzenie silnego pola magnetycznego o otworze roboczym 3, gdzie znajduje się badana próbka 23. Mała rezystywność wolframu i molibdenu powoduje również wytwarzanie bardzo małej ilości ciepła przez płynący prąd i niewielki wzrost temperatury układu. Ponadto, wolfram i molibden wykazują dużą wytrzymałość mechaniczną, co chroni rurę złożoną z dwóch stożków ściętych 1, 2 przed rozerwaniem przez siły elektrodynamiczne, spowodowane przez prąd elektryczny o dużym natężeniu. Dodatkowymi elementami, zabezpieczającymi rurę przed rozerwaniem są walce 6, 7 ściskane śrubami 9 i stożkowe ukształtowanie powierzchni wewnętrznych walców 6, 7 oraz powierzchni zewnętrznej rury złożonej z dwóch stożków ściętych 1, 2. W wyniku tego wytwarzane są naprężenia mechanicznie, skierowane radialne i zwrócone do osi układu, które kompensują naprężenia spowodowane siłami elektrodynamicznymi, zwróconymi w przeciwną stronę. W przypadku zasilania układu prądem stałym o mniejszym natężeniu jest możliwa praca ciągła cewki i wytwarzanie stacjonarnego, silnego pola magnetycznego, ponieważ wytwarzane ciepło zostaje odprowadzone na bieżąco przez parujący ciekły hel 13. W przypadku większych natężeń prądu, stosowanych do wytwarzania pól impulsowych, po zakończeniu impulsu jest konieczna przerwa w zasilaniu celem wychłodzenia układu. Wykonanie śrub 9, nakrętek 10, kriostatu 12, rury wlotowej 14, zaworu odcinającego 15, podpór 16, rury wylotowej 17, wymiennej rurki 21, kołnierza oporowego 22 i zaślepki 25 z materiału nieferromagnetycznego, korzystnie ze stali austenitycznej, zabezpiecza wyszczególnione elementy przed niekorzystnym rozpraszaniem pola magnetycznego i dodatkowymi naprężeniami mechanicznymi.

Claims (3)

1. Przyrząd do wytwarzania silnych pól magnetycznych z elementami wolframowymi, mający kriostat wypełniony ciekłym helem, którego górna powierzchnia sięga powyżej górnych końców śrub, a ponadto dno kriostatu jest połączone z rurą wlotową, wyposażoną w zawór odcinający i ma przykręcone od dołu cztery symetrycznie rozmieszczone, prostopadłościenne podpory, zaś górna powierzchnia kriostatu jest połączona z rurą wylotową, a ponadto w górnej powierzchni kriostatu jest osadzona współosiowo na wcisk tulejka, której dolny koniec jest połączony szczelnie z górną powierzchnią górnego walca i w tulejce jest umieszczona, też współosiowo, wymienna rurka, której górny koniec ma osadzony na wcisk kołnierz oporowy, zaś do dolnego końca rurki jest przymocowana badana próbka, do której są przyłączone przewody, przechodzące przez rurkę do aparatury pomiarowej, znamienny tym, że zawiera rurę złożoną z dwóch współosiowych stożków ściętych (1,2), połączonych ze sobą większymi podstawami i mającą cylindryczny, przelotowy otwór roboczy (3), współosiowy ze stożkami ściętymi (1, 2) oraz podłużną szczelinę, przechodzącą radialnie przez całą grubość ścianki rury, przy czym rura jest wykonana korzystnie z wolframu albo molibdenu, a oprócz tego powierzchnie stożków ściętych (1, 2) są pokryte warstwą izolacyjną (4), zaś podłużna szczelina jest wypełniona przekładką izolacyjną (5), przy czym warstwa izolacyjna (4) i przekładka izolacyjna (5) są wykonane z materiału nie przewodzącego prądu elektrycznego i odpornego na wysoką temperaturę, a poza tym rura złożona z dwóch współosiowych stożków ściętych (1, 2) jest umieszczona wewnątrz obudowy złożonej z dwóch walców, walca górnego (6) i walca dolnego (7), mających współosiowe, stożkowe otwory o takim samym kształcie, jak kształt stożków ściętych (1, 2), tworzących rurę oraz cylindryczne kanały chłodzące (8), przechodzące równolegle do osi obudowy i rozmieszczone symetrycznie na całym przekroju poprzecznym walców (6, 7), a ponadto walce (6, 7) są dociskane do stożków rury (1,2) czterema symetrycznie rozmieszczonymi śrubami (9), przechodzącymi przez otwory w walcach (6, 7) równolegle do osi walców (6, 7) i zaopatrzonymi w nakrętki (10), przy czym walce (6, 7) wykonane są korzystnie z wolframu albo molibdenu oraz śruby (9) z nakrętkami (10) są wykonane z wolframu, a oprócz tego dolny walec (7) ma wkręcone w jego dolną podstawę cztery symetrycznie rozmieszczone, prostopadłościenne wsporniki (11), wykonane z tekstolitu i oba walce (6, 7) są umieszczone wewnątrz, a oprócz tego przez boczną ścianę kriostatu (12) i walce (6, 7) przechodzą radialnie cztery przewody zasilające (18), umieszczone w tulejkach izolacyjnych (19), nie pokrywających końców przewodów (18) i końce zwrócone do osi kriostatu (12) są osadzone na wcisk w stożkach (1, 2) w ten sposób, że po dwa końce przewodów (18) znajdują się w każdym ze stożków (1, 2) po obu stronach przekładki izolacyjnej (5), zaś wystające na zewnątrz kriostatu (12) końce przewodów (18) są przyłączone do biegunów źródła prądu o dużym natężeniu w ten sposób, że para przewodów wychodząca z jednej strony przekładki izolacyjnej (5) łączy się z jednym biegunem, a ponadto przewody (18) są wykonane korzystnie z wolframu, albo molibdenu, a tulejki izolacyjne (19) z silikonu, a oprócz tego dolny koniec otworu roboczego (3) w dolnym walcu (7) jest zamknięty zaślepką (25) w kształcie kołowej tarczy, wciśniętą do tego otworu, a ponadto kriostat (12), rura wlotowa (14), zawór odcinający (15), podpory (16), rura wylotowa (17), wymienna rurka (21), kołnierz oporowy (22) i zaślepka (25) są wykonane z metalu nieferromagnetycznego.

2. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że warstwa izolacyjna (4) i przekładka izolacyjna (5) są wykonane z azbestu.

3. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że kriostat (12), rura wlotowa (14), zawór odcinający (15), podpory (16), rura wylotowa (17), wymienna rurka (21), kołnierz oporowy (22) i zaślepka (25) są wykonane ze stali austenitycznej.