WO2011109929A1

WO2011109929A1 - 一种产生旋转磁场的超导磁体

Info

Publication number: WO2011109929A1
Application number: PCT/CN2010/002186
Authority: WO
Inventors: 王秋良; 胡新宁; 戴银明
Original assignee: 中国科学院电工研究所
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2011-09-15
Also published as: CN101794653A; CN101794653B

Description

一种产生旋转磁场的超导磁休技术领域

本发明涉及一种超导磁体，特别涉及一种产生旋转磁场的超导磁体。背景技术

旋转磁场在材料生长和物理特性测定等方面具有重要的应用。目前高磁场超导磁体为特殊晶体材料生长、磁光效应、金属材料的物理特性改变、梯度材料的生长以及用于改变材料的相关物理属性等方面提供特定的背景磁场，能够有效地将磁场能量无接触地传递给物质的分子和原子，并且根据样品大小的不同来改变磁场的旋转幅度和空间范围的大小。此外旋转特定方向的磁场的超导磁体也是研究量子器件特性的重要仪器。目前用于特种晶体结构生长的超导磁体主要通过机械运动部件进行磁场旋转幅度变化的调节。常规的永磁体主要采用旋转磁体的方式，这种方法对于制作磁体本身的技术难度较小，但是磁场强度较低。采用铌钛（NbTi )和铌三锡（Nb₃Sn )超导体研制的超导磁体可以产生较高的磁场，如果采用旋转磁体的方法，一方面磁体处于低温容器内部，旋转磁体使得低温系统较为复杂，另一方面系统的运行成本较高。目前工业和科学仪器使用的高磁场超导磁体系统的发展趋势是结构简单，系统运行费用低廉和操作方便。

产生旋转磁场的超导磁体应用在极端条件下多物理场共同作用于材料、磁光效应等物理特性研究等场合，需要旋转磁场不断调节改变。这种超导磁体的电磁结构与普通磁体相比结构复杂，最显著的特点是磁体具有一个连续可调的高磁场。在空间产生旋转磁场的高磁场超导磁体能够用于材料生长和材料物理特性研究，应用在科学仪器以及极端条件研究的科学装置中。发明内容

本发明的目的是克服现有的旋转超导磁体结构复杂的缺点，提出一种新的可提供任意速度旋转磁场的超导磁体。本发明的超导磁体结构筒单，具有运行费用低廉和方便的优点。

根据磁场强度大小和磁场可利用的均匀区范围，本发明提出三种产生旋转磁场的超导磁体结构。

方案一：

在产生较低的磁场例如 5〜6T的中心磁场时，本发明的超导磁体包括 X轴方向 Helmoltz线圏对、 y轴方向 Helmoltz线圏对和 z轴方向 Helmoltz线圈对。 x轴方向 Helmoltz线圏对通过串联供电提供 X方向的磁场， y轴方向 Helmoltz线圏对通过串联供电提供 y方向的磁场， z轴方向 Helmoltz线圏对通过串联供电提供 z 方向的磁场。 X轴方向 Helmoltz线圏对布置于 X轴上， y轴方向 Helmoltz线圏对布置于 y轴上， z轴方向 Helmoltz线圏对布置于 z轴上。 X轴、 y轴和 z轴在空间上相互垂直相交于原点。 X轴方向 Helmoltz线圏对、 y轴方向 Helmoltz线圈对和 z轴方向 Helmoltz 线圈对使用 NbTi超导细丝线材制成。三对线圏对分别单独供电，通过计算机控制线圈的电流 Ix， Iy和 Iz的幅值和电流的方向可以在超导磁体中心取得所需要的旋转磁场。构成超导磁体的超导线圏采用 NbTi超导细丝线材，超导线圏使用液氦浸泡冷却。

方案二：

对于高磁场小均勾区旋转磁场，本发明的超导磁体在方案一三对 Helmoltz线圏的基础上，增加一个 z轴方向超导主线圏。该 z轴方向超导主线圏提供较高的背景磁场，其它三对 Helmoltz线圏提供在空间可以变化的磁场。以一定的时序电流变化来改变磁场方向的空间取向和磁场强度的幅值大小。 Z 轴方向超导主线圏产生恒定的背景磁场。在 Z轴上布置 Z轴方向超导主线圏，在 _Z 轴方向超导主线圈的外部沿 z轴布置 z轴方向 Helmoltz线圏对。

X轴方向 Helmoltz线圈对布置于 X轴上， y轴方向 Helmoltz线圏对布置于 y轴上。 _X轴、 y轴和 z轴在空间上相互垂直相交于原点。通过改变所述的三对 Helmoltz 线圈的电流可以在空间中获得三维方向可调的旋转磁场。产生的中心磁场高于 10T， ζ轴方向超导主线圏采用 NbTi和 Nb₃Sn线圏的组合，其它三对 Helmoltz线圏使用 NbTi超导线。

方案三：

对于高磁场大均勾区旋转磁场，本发明的超导磁体采用一个 z 轴方向超导主线圏产生主磁场，使用两对跑道或马鞍形的线圏分布在所述的 z轴方向超导主线圏的外面，产生均匀变化方向的磁场。由于跑道或马鞍形线圈有一定的长度，因此，在 Z轴方向超导主线圈的方向可以在较大的范围内获得均匀的磁场。本发明的超导磁体包括 z轴方向超导主线圏， z轴方向 Helmoltz线圏对， X方向跑道形超导线圏对， y方向跑道形超导线圏对。 z轴方向超导主线圈提供较强的背景磁场， z轴方向 Helmoltz线圏对提供 z 轴方向变化的磁场， X方向跑道形超导线圏对提供 X方向变化的磁场， y方向跑道形超导线圈对提供 y方向变化的磁场。在 z轴上布置 z轴方向超导主线圏，在 z轴方向超导主线圏的外部沿 z 轴布置 z轴方向 Helmoltz线圈对。在 x轴上布置 x方向跑道形超导线圈对，在 y轴上布置 y方向跑道形超导线圈对。 X轴、 y轴和 z轴在空间上相互垂直相交于原点。 z轴方向 Helmoltz线圏对、 X 方向跑道形超导线圏对和 y 方向跑道形超导线圏对采用 NbTi 超导细丝线材。如果本发明超导磁体的中心磁场小于 10T， ζ轴方向超导主线圈采用 NbTi超导细丝线材。如果中心磁场大于 10 T 并小于 20T，z轴方向超导主线圈釆用 NbTi和 Nb₃Sn线圏的组合。如果中心磁场大于 20 T, z轴方向超导主线圏采用低温和高温线圈组合。超导磁体使用制冷机和液氦冷却。

当本发明所述的 z轴方向超导主线圏采用低温超导线圏和高温超导线圏组合的方式时，其他线圏采用 NbTi或高温超导线圏均可。 z 轴方向超导主线圏产生较高的中心磁场，外面放置的跑道形或马鞍形线圏与另外一对 Helmoltz 线圏以一定时序改变电流从而得到旋转磁场。

本发明的超导磁体具有磁场取向连续调节的特点，并且超导磁体结构简单紧凑。超导磁体可以采用制冷机直接冷却的方式。本发明可以极大提高超导线圈的利用效率，减小一些分离间隙的距离。附图说明

图 1示出根据本发明第一实施例的具有三对 Helmoltz线圈的超导磁体结构图；

图 2示出根据本发明第二实施例的具有高磁场强度旋转磁场超导磁体结构图；

图 3示出根据本发明第三实施例的具有较大均匀区域的旋转磁场的超导磁体结构图。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。

如图 1所示，本发明第一实施例为适用于产生较低磁场的超导磁体的结构。 X轴方向 Helmoltz线圏对 1通过串联供电提供 x方向的磁场， y轴方向 Helmoltz线圏对 2通过串联供电提供 y方向的磁场， z轴方向 Helmoltz线圏对 3通过串联供电提供 z方向的磁场。三对 Helmoltz线圈对 1、 2和 3均可以使用极细的 NbTi低温超导线材制成。三对 Helmoltz线圈 1、 2和 3中通过的电流为 /_x， /_y和 /_z，三对线圈分别使用独立的电源供电。通过计算机控制线圏的电流^， I_y 和 /₂的幅值和电流的方向，可以在超导磁体中心取得所需要的旋转磁场。 X轴方向 Helmoltz线圏对 1布置于 X轴上， y轴方向 Helmoltz 线圈对 2布置于 y轴上， z轴方向 Helmoltz线圏对 3布置于 z轴上， x 轴、 y轴和 z轴在空间上相互垂直相交于原点。

如图 2所示，为了进一步提高超导磁体的背景磁场以便适合于高磁场应用，同时适当增加磁场均匀区的范围，本发明第二实施例的超导磁体结构为在第一实施例的基础上，在 z方向上位于 z轴方向 Helmoltz线圏对 3的中心处增加一个 z轴方向超导主线圈 4。 z轴方向超导主线圏 4提供较高的恒定的背景磁场，其它三对 Helmoltz线圏 1、 2和 3提供在空间中可以变化的磁场。在 z 轴上布置 z轴方向超导主线圏 4，在 z轴方向超导主线圈 4的外部沿 z轴布置 z轴方向 Helmoltz线圏对 3。 x轴方向 Helmoltz线圈对 1布置于 X轴上， y轴方向 Helmoltz线圏对 2布置于 y轴上。

X轴、 y轴和 z轴在空间上相互垂直相交于原点。通过改变所述的三对 Helmoltz线圏 1、 2和 3的电流在空间中获得三维方向可调的旋转磁场。 z轴方向超导线圈 4使用 NbTi和 Nb₃Sn超导线圈组合，或者使用低温和高温超导线材组合以提供更高的磁场强度，其它三对 Helmoltz线圏使用 NbTi超导线。

如图 3所示，为了进一步提高线圏的使用效率，同时提供较大均匀区域的范围，本发明第三实施例为一个高磁场大均匀区旋转磁场的超导磁体结构。 z轴方向超导主线圏 4提供较强的背景磁场，该线圈 4使用 NbTi和 Nb₃Sn线材组合。如果要产生 20T以上的磁场， z轴方向超导主线圈 4使用低温和高温超导线材组合。 z轴方向 Helmoltz线圈对 3提供 z轴方向变化的磁场。 x方向跑道形超导线 10 002186

圈对 5提供 x方向变化的磁场， y方向跑道形超导线圏对 6提供 y方向变化的磁场。在 z轴上布置 z轴方向超导主线圈 4，在 z轴方向超导主线圈 4的外部沿 z轴布置 z轴方向 Helmoitz线圏对 3。在 x轴上布置 X方向跑道形超导线圈对 5，在 y轴上布置 y方向跑道形超导线圏对 6。 X轴、 y轴和 z轴在空间上相互垂直相交于原点。三对线圏分别使用独立的电源供电。通过计算机控制所述的 x、 y、 z线圏的电流 I_x, /_y和 /₂的幅值和电流的方向，可以在所述的超导磁体中心取得所需要的旋转磁场。 z轴方向超导主线圏 4由另外一电源供电提供稳定的背景磁场。

以上结合具体实施例描述了本发明，但这些实施例仅仅是为了示例的目的，而不是旨在限制本发明的范围。例如，本发明的超导磁体可以采用制冷机冷却液氦或直接冷却的方式。超导线圏的线材可以是高温超导线材，或是 Nb₃Sn与高温超导体的组合，或 NbTi或 Nb₃Sn线圏的组合，或三种材料的组合，以形成更高的磁场。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以对此处描述的实施例做出各种变型、替换和改变。所附权利要求书旨在涵盖落入本发明的范围和精神内的这些变型、替换和改变。

Claims

权利要求

1、一种产生旋转磁场的超导磁体，其特征在于包括： X轴方向 Helmoltz线圈对（1) 、 y轴方向 Helmoltz线圏对（2) 和 z轴方向 Helmoltz线圈对（3)；其中 x轴方向 Helmoltz线圏对（1)通过串联供电提供 X方向的磁场， y轴方向 Helmoltz线圏对（2)通过串联供电提供 y方向的磁场， z轴方向 Helmoltz线圈对（3)通过串联供电提供 z方向的磁场； X轴方向 Helmoltz线圏对（1) 布置于 x轴上、 y轴方向 Helmoltz线圏对（2)布置于 y轴上， z轴方向 Helmoltz 线圈对（3)布置于 z轴上， X轴、 y轴和 z轴相互垂直并在空间上相交于原点；所述的 x、 y、 z三个方向的三对 Helmoltz线圈对分别被独立供电，通过计算机控制线圏的电流 Ix， Iy和 Iz的幅值和电流的方向，在所述的超导磁体中心取得所需要的旋转磁场。

2、按照权利要求 1所述的超导磁体，其中所述超导磁体所产生的中心磁场为 5-6 Τ, X轴方向 Helmoltz线圈对（1) 、 y轴方向 Helmoltz线圏对（2)和 z轴方向 Helmoltz线圏对（3)使用 NbTi超导细丝线材制成。

3、一种产生旋转磁场的超导磁体，其特征在于，所述的超导磁体包括三对 Helmoltz线圈（1) - (3)和一个 z轴方向超导主线圏（4) ，所述的 z轴方向超导主线圏（4)提供恒定的背景磁场，其它三对 Helmoltz线圈（1) - (3)提供在空间中变化的磁场；在 z轴上布置 z轴方向超导主线圏（4) ，在 z轴方向超导主线圏（4) 的外部沿 z轴布置 z轴方向 Helmoltz线圈对（3) ，在 X轴上布置 X轴方向 Helmoltz线圏对（ 1 )、在 y轴上布置 y轴方向 Helmoltz线圈对（2) ， x轴、 y轴和 z轴在空间上相互垂直相交于原点；通过改变所述的三对 Helmoltz线圏（1) - (3) 的电流在空间中获得三维方向可调的旋转磁场。

4、按照权利要求 3所述的超导磁体，其中所述超导磁体产生的中心磁场高于 ΙΟΤ,ζ轴方向超导主线圏（4)采用 NbTi和 Nb₃Sn 线圏的组合，其它三对 Helmoltz线圏（1) - (3)使用 NbTi超导细丝线材绕制。

5、一种产生旋转磁场的超导磁体，其特征在于包括： z轴方向超导主线圈（4) ， z轴方向 Hehnoltz线圈对（3) ， x方向跑道形超导线圏对（5) ， y 方向跑道形超导线圈对（6) ；其中 z 轴方向超导主线圈（4)提供较强的背景磁场， z轴方向 Helmoltz 线圈对（3)提供 z轴方向变化的磁场， X方向跑道形超导线圈对

(5)提供 X方向变化的磁场， y方向跑道形超导线圏对（6)提供 y方向变化的磁场；在 z轴上布置 z轴方向超导主线圈（4) ，在 z轴方向超导主线圏（4)的外部沿 z轴布置 z轴方向 Helmoltz 线圏对（3) , 在 X轴上布置 X方向跑道形超导线圏对（5) ，在 y轴上布置 y方向跑道形超导线圏对（6) ， X轴、 y轴和 z轴在空间上相互垂直相交于原点。

6、根据权利要求 5的超导磁体，其中所述超导磁体的中心磁场小于 10T, z轴方向 Helmoltz线圈对（3) 、 x方向跑道形超导线圈对（5)和 y方向跑道形超导线圈对（6)釆用 NbTi超导细丝线材绕制， z轴方向超导主线圏（4)釆用 NbTi超导细丝线材绕制。

7、根据权利要求 5的超导磁体，其中所述超导磁体产生的中心磁场大于 10T并小于 20T， ζ轴方向 Helmoltz线圈对（3) 、 x 方向跑道形超导线圈对（5) 和 y方向跑道形超导线圈对（6) 釆用 NbTi超导细丝线材绕制， z轴方向超导主线圏（4)采用 NbTi 和 Nb₃Sn线圏的组合。

8、根据权利要求 5的超导磁体，其中所述超导磁体产生的中心磁场大于 20 T, z轴方向 Helmoltz线圏对（3)、 x方向跑道形超导线圈对（5)和 y方向跑道形超导线團对（6)采用 NbTi超导细丝线材绕制， z轴方向超导主线圏（4)采用低温和高温超导线圏组合。

9、根据权利要求 5的超导磁体，其中所述超导磁体使用制冷机和液氦冷却。

10、按照权利要求 5-9中任何一项所述的超导磁体，其中所述的 z轴方向 Helmoltz线圈对（3) 、 x方向跑道形超导线圏对（5) 和 y方向跑道形超导线圏对（6)分别被独立供电；通过计算机控制线圏的电流 Ix， Iy和 Iz的幅值和电流的方向，在所述超导磁体中心取得所需要的旋转磁场； z轴方向超导主线圏（4) 由一台电源单独供电。