專利名稱：一種產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的超導(dǎo)磁體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)磁體，特別涉及一種產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的高磁場超導(dǎo)磁體。
背景技術(shù)：
旋轉(zhuǎn)磁場在材料生長和物理特性測定等方面具有重要的應(yīng)用。目前高磁場超導(dǎo)磁 體為特殊晶體材料生長、磁光效應(yīng)、金屬材料的物理特性改變、梯度材料的生長以及用于改 變材料的相關(guān)物理屬性等方面提供特定的背景磁場，能夠有效將磁場能量無接觸地傳遞給 物質(zhì)的分子和原子。并且根據(jù)樣品大小的不同來改變磁場的旋轉(zhuǎn)幅度和空間范圍的大小。 此外旋轉(zhuǎn)特定方向的磁場也是研究量子器件特性的重要儀器。目前用于特種晶體結(jié)構(gòu)生長 的超導(dǎo)磁體主要通過機械運動部件方法進行磁場旋轉(zhuǎn)幅度變化的調(diào)節(jié)，常規(guī)的永磁主要采 用旋轉(zhuǎn)磁體的方式，這種方法對于制作磁體本身的技術(shù)難度較小，但是磁場強度較低。采用 鈮鈦(NbTi)和鈮三錫(Nb3Sn)超導(dǎo)體研制的超導(dǎo)磁體可以產(chǎn)生較高的磁場超導(dǎo)磁體，如果 采用旋轉(zhuǎn)磁體的方法，一方面磁體處于低溫容器內(nèi)部，旋轉(zhuǎn)磁體使得低溫系統(tǒng)較為復(fù)雜。同 時對于系統(tǒng)的運行成本較高。目前工業(yè)和科學(xué)儀器使用的高磁場超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 是結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)運行費用低廉和操作方便。 產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的超導(dǎo)磁體應(yīng)用在極端條件下多物理場共同作用于材料、磁光效應(yīng) 等物理特性研究等場合，需要旋轉(zhuǎn)磁場不斷調(diào)節(jié)改變。這種超導(dǎo)磁體的電磁結(jié)構(gòu)和普通磁 體相比較結(jié)構(gòu)復(fù)雜，最顯著的特點是磁體具有一個連續(xù)可調(diào)的高磁場。在空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁 場的高磁場超導(dǎo)磁體能夠用于材料生長和材料物理特性研究，應(yīng)用在科學(xué)儀器以及極端條 件研究的科學(xué)裝置中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的缺點，提出一種新的可提供 任意速度旋轉(zhuǎn)磁場的超導(dǎo)磁體。本發(fā)明的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，具有運行費用低廉和方 便的優(yōu)點。 根據(jù)磁場強度大小和磁場可利用的均勻區(qū)范圍，本發(fā)明提出三種產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場超
導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)。
方案一 本發(fā)明超導(dǎo)磁體產(chǎn)生較低的磁場例如5 6T的中心磁場時，所述的超導(dǎo)磁體包 括x軸方向Helmoltz線圈對、y軸方向Helmoltz線圈對和z軸方向Helmoltz線圈對。x 軸方向Helmoltz線圈對通過串聯(lián)供電提供x方向的磁場，y軸方向Helmoltz線圈對通過 串聯(lián)供電提供y方向的磁場，z軸方向Helmoltz線圈對通過串聯(lián)供提供z方向的磁場。x 軸方向Helmoltz線圈對布置于x軸上，y軸方向Helmoltz線圈對布置于y軸上，z軸方向 Helmoltz線圈對布置于z軸上。x軸、y軸和z軸在空間上相互垂直相交于原點。x軸方向 Helmoltz線圈對、y軸方向Helmoltz線圈對和z軸方向Helmoltz線圈對使用鈮鈦超導(dǎo)細 絲線材制成。三對線圈對分別單獨供電，通過計算機控制線圈的電流Ix，Iy和Iz的幅值和電流的方向可以在中心取得所需要的旋轉(zhuǎn)磁場。構(gòu)成超導(dǎo)磁體的超導(dǎo)線圈采用NbTi超導(dǎo) 細絲線材，超導(dǎo)線圈使用液氦浸泡冷卻。
方案二 對于高磁場小均勻區(qū)旋轉(zhuǎn)磁場，本發(fā)明超導(dǎo)磁體在方案一三對Helmoltz線圈的 基礎(chǔ)上，增加一個z軸方向超導(dǎo)主線圈。主線圈提供較高的背景磁場，其它三對Helmoltz線 圈提供在空間可以變化的磁場。以一定的時序電流變化來改變磁場方向的空間取向和磁場 的強度的幅值大小。z軸方向超導(dǎo)主線圈產(chǎn)生恒定的背景磁場。z軸上布置z軸方向超導(dǎo)主 線圈，在z軸超導(dǎo)主線圈的外部沿z軸布置z軸方向Helmoltz線圈對。x軸方向Helmoltz 線圈對布置于x軸上，y軸方向Helmoltz線圈對布置于y軸上。x軸、y軸和z軸在空間上 相互垂直相交于原點。通過改變所述的三對Helmoltz線圈的電流可以在空間獲得三維方 向可調(diào)的旋轉(zhuǎn)磁場。產(chǎn)生的中心磁場高于10T， z軸方向超導(dǎo)主線圈采用NbTi和Nb3Sn線 圈的組合，其它三對Helmoltz線圈使用NbTi超導(dǎo)線。
方案三 對于磁場高于10T高磁場大均勻區(qū)旋轉(zhuǎn)磁場，本發(fā)明超導(dǎo)磁體采用一個z軸方向 超導(dǎo)主線圈產(chǎn)生主磁場，使用兩對跑道或馬鞍形的線圈分布在所述的z軸方向超導(dǎo)主線圈 的外面，產(chǎn)生均勻變化方向的磁場。由于跑道或馬鞍形線圈的有一定的長度，因此，在z軸 方向超導(dǎo)主線圈的方向可以在較大的范圍內(nèi)獲得均勻的磁場。本發(fā)明超導(dǎo)磁體包括z軸方 向超導(dǎo)主線圈，z方向Helmoltz線圈對，x方向跑道形超導(dǎo)線圈對，y方向跑道形超導(dǎo)線圈 對。z軸方向超導(dǎo)主線圈提供較強的背景磁場，z方向Helmoltz線圈對提供z軸方向變化 的磁場，x方向跑道形超導(dǎo)線圈對提供x方向的磁場，y方向跑道形超導(dǎo)線圈對提供y方向 變化的磁場。在z軸上布置z軸方向超導(dǎo)主線圈，在z軸超導(dǎo)主線圈的外部沿z軸布置z 軸方向Helmoltz線圈對。在x軸上布置x方向跑道形超導(dǎo)線圈對，在y軸上布置y方向跑 道形超導(dǎo)線圈對。x軸、y軸和z軸在空間上相互垂直相交于原點。z方向Helmoltz線圈對 和x方向跑道形超導(dǎo)線圈對和y方向跑道形超導(dǎo)線圈對采用鈮鈦超導(dǎo)細絲線材。本發(fā)明超 導(dǎo)磁體的中心磁場小于lOT，z軸方向超導(dǎo)主線圈采用鈮鈦超導(dǎo)細絲線材。如果中心磁場大 于10T， z軸方向超導(dǎo)主線圈采用NbTi和Nb3Sn線圈的組合。如果中心磁場大于20T， z軸 方向超導(dǎo)主線圈采用低溫和高溫線圈組合。超導(dǎo)磁體使用制冷機和液氦冷卻。
本發(fā)明所述的z軸方向超導(dǎo)主線圈采用低溫超導(dǎo)線圈和高溫超導(dǎo)線圈組合的方 式。其他線圈采用NbTi或高溫超導(dǎo)線圈均可。z軸方向超導(dǎo)主線圈產(chǎn)生較高的中心磁場， 外面放置的跑道形或馬鞍形線圈與另外一對Helmoltz線圈以一定時序改變電流從而得到 旋轉(zhuǎn)磁場。 本發(fā)明超導(dǎo)磁體具有磁場取向連續(xù)調(diào)節(jié)的特點。超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)簡單緊湊。磁體采 用制冷機直接冷卻的方式。從而極大提高超導(dǎo)線圈的利用效率，減小一些分離間隙的距離。
本發(fā)明的超導(dǎo)磁體采用制冷機冷卻液氦或直接冷卻的方式。超導(dǎo)線圈的線材可以 是高溫超導(dǎo)線材，或是Nb3Sn與高溫超導(dǎo)體的組合，或NbTi或Nb3Sn線圈的組合，或三種材 料的組合，以形成更高的磁場。


圖1方案一具有三對Helmoltz線圈組成的超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)圖，圖中l(wèi)x軸方向Helmoltz線圈對，2y軸方向Helmoltz線圈對，3z軸方向Helmoltz線圈對； 圖2方案二具有高磁場強度旋轉(zhuǎn)磁場超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)圖，圖中4z軸方向超導(dǎo)主線
圈； 圖3方案三具有較大均勻區(qū)域的旋轉(zhuǎn)磁場的超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)圖，圖中5x方向跑道 形超導(dǎo)線圈對，6y方向跑道形超導(dǎo)線圈對。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。 如圖l所示，本發(fā)明方案一為適用于產(chǎn)生較低磁場的超導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)，x軸方向 Helmoltz線圈對1通過串聯(lián)供電提供x方向的磁場，y軸方向Helmoltz線圈對2通過串聯(lián) 供電提供y方向的磁場，z軸方向Helmoltz線圈對3通過串聯(lián)供提供z方向的磁場。三對 Helmoltz線圈對1、2和3均可以使用極細絲的鈮鈦低溫超導(dǎo)線材制成。三對Helmoltz線 圈通過的電流為I, ，Iy和Iz，三對線圈分別使用獨立的電源供電。通過計算機控制線圈的 電流Ix， Iy和Iz的幅值和電流的方向，可以在超導(dǎo)磁體中心取得所需要的旋轉(zhuǎn)磁場。x軸方 向Helmoltz線圈對1布置于x軸上，y軸方向Helmoltz線圈對2布置于y軸上，z軸方向 Helmoltz線圈對3布置于z軸上，x軸、y軸和z軸在空間上相互垂直相交于原點。
如圖2所示，為了進一步提高超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的背景磁場適合于高磁場應(yīng)用，同時 適當增加磁場均勻區(qū)的范圍。本發(fā)明方案二的超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)為在方案一的基礎(chǔ)上，在z方 向上位于z軸方向Helmoltz線圈對3的中心增加一個z軸方向超導(dǎo)主線圈4， z軸方向超 導(dǎo)主線圈4提供較高的恒定的背景磁場，其它三對Helmoltz線圈提供在空間可以變化的磁 場。z軸上布置z軸方向超導(dǎo)主線圈4，在z軸超導(dǎo)主線圈4的外部沿z軸布置z軸方向 Helmoltz線圈對3。 x軸方向Helmoltz線圈對1布置于x軸上、y軸方向Helmoltz線圈 對2布置于y軸上。x軸、y軸和z軸在空間上相互垂直相交于原點。通過改變所述的三對 Helmoltz線圈的電流在空間獲得三維方向可調(diào)的旋轉(zhuǎn)磁場。z軸方向超導(dǎo)線圈4使用NbTi 和Nb3Sn超導(dǎo)線圈組合，或者使用低溫和高溫超導(dǎo)線材組合以提供更高的磁場強度，其它三 對Helmoltz線圈使用NbTi超導(dǎo)線。 如圖3所示，為了進一步提高線圈的使用效率，同時提供較大均勻區(qū)域的范圍，本 發(fā)明方案三為一個高磁場大均勻區(qū)旋轉(zhuǎn)磁場的超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)。z軸方向超導(dǎo)主線圈4提供 較強的背景磁場，該線圈使用NbTi和Nb3Sn線材組合，如果要產(chǎn)生20T以上的磁場，z軸方 向超導(dǎo)主線圈4使用低溫和高溫超導(dǎo)線材組合。z方向Helmoltz線圈對3提供z軸方向 變化的磁場。x方向跑道形超導(dǎo)線圈5對提供x方向的磁場，y方向跑道形超導(dǎo)線圈對6提 供y方向變化的磁場。在z軸上布置z軸方向超導(dǎo)主線圈4，在z軸超導(dǎo)主線圈的外部沿z 軸布置z軸方向Helmoltz線圈對3。在x軸上布置x方向跑道形超導(dǎo)線圈對5，在y軸上 布置y方向跑道形超導(dǎo)線圈對6。 x軸、y軸和z軸在空間上相互垂直相交于原點。三對線 圈分別使用獨立的電源供電。通過計算機控制所述的x、y、z線圈的電流I,，Iy和Iz的幅值 和電流的方向，可以在所述的超導(dǎo)磁體中心取得所需要的旋轉(zhuǎn)磁場。z軸方向超導(dǎo)主線圈4 由另外一 電源供電提供穩(wěn)定的背景磁場。
權(quán)利要求
一種產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的超導(dǎo)磁體，其特征在于所述的超導(dǎo)磁體包括z軸方向超導(dǎo)主線圈(4)，z軸方向Helmoltz線圈對(3)，x方向跑道形超導(dǎo)線圈對(5)，y方向跑道形超導(dǎo)線圈對(6)；z軸方向超導(dǎo)主線圈(4)提供較強的背景磁場，z軸方向Helmoltz線圈對(3)提供z軸方向變化的磁場，x方向跑道形超導(dǎo)線圈對(5)提供x方向的磁場，y方向跑道形超導(dǎo)線圈對(6)提供y方向變化的磁場；在z軸上布置z軸方向超導(dǎo)主線圈(4)，在z軸超導(dǎo)主線圈(4)的外部沿z軸布置z軸方向Helmoltz線圈對(3)；在x軸上布置x方向跑道形超導(dǎo)線圈對(5)，在y軸上布置y方向跑道形超導(dǎo)線圈對(6)；x軸、y軸和z軸在空間上相互垂直相交于原點；z軸方向Helmoltz線圈對(3)和x方向跑道形超導(dǎo)線圈對(5)和y方向跑道形超導(dǎo)線圈對(6)采用鈮鈦超導(dǎo)細絲線材繞制，z軸方向超導(dǎo)主線圈(4)采用鈮鈦超導(dǎo)細絲線材繞制，所述的超導(dǎo)磁體的中心磁場小于10T；如果所述的超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的中心磁場大于10T，則z軸方向超導(dǎo)主線圈(4)采用NbTi和Nb3Sn線圈的組合；如果所述的超導(dǎo)磁體的產(chǎn)生中心磁場大于20T，z軸方向超導(dǎo)主線圈(4)采用低溫和高溫超導(dǎo)線圈組合；所述的超導(dǎo)磁體使用制冷機和液氦冷卻。
2. 按照權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的超導(dǎo)磁體，其特征在于，所述的z軸方 向Helmoltz線圈對(3) 、 x方向跑道形超導(dǎo)線圈對(5)和y方向跑道形超導(dǎo)線圈對(6)分 別獨立供電；通過計算機控制線圈的電流Ix， Iy和Iz的幅值和電流的方向，在所述的超導(dǎo) 磁體中心取得所需要的旋轉(zhuǎn)磁場；z軸方向超導(dǎo)主線圈(4)由一臺電源單獨供電。
3. —種產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的超導(dǎo)磁體，其特征在于，若所述的超導(dǎo)磁體所產(chǎn)生的中心磁場 為5-6T，所述的超導(dǎo)磁體包括x軸方向Helmoltz線圈對(1)、 y軸方向Helmoltz線圈對 (2)和z軸方向Helmoltz線圈對(3) ;x軸方向Helmoltz線圈對(1)通過串聯(lián)供電提供 x方向的磁場，y軸方向Helmoltz線圈對(2)通過串聯(lián)供電提供y方向的磁場，z軸方向 Helmoltz線圈對(3)通過串聯(lián)供提供z方向的磁場；x軸方向Helmoltz線圈對(1)、y軸方 向Helmoltz線圈對(2)和z軸方向Helmoltz線圈對(3)使用鈮鈦超導(dǎo)細絲線材制成；所 述的x、 y、 z三個方向的三對Helmoltz線圈對分別獨立供電，通過計算機控制線圈的電流 Ix，Iy和Iz的幅值和電流的方向，在所述的超導(dǎo)磁體中心取得所需要的旋轉(zhuǎn)磁場；x軸方向 Helmoltz線圈對(1)布置于x軸上、y軸方向Helmoltz線圈對(2)布置于y軸上，z軸方 向Helmoltz線圈對(3)布置于z軸上，x軸、y軸和z軸相互垂直在空間上相交于原點。
4. 一種產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的超導(dǎo)磁體，其特征在于，所述的超導(dǎo)磁體采用三對Helmoltz線 圈和一個z軸方向超導(dǎo)主線圈(4)的結(jié)構(gòu)；所述的z軸方向超導(dǎo)主線圈(4)提供恒定的 背景磁場，其它三對Helmoltz線圈提供在空間變化的磁場；z軸上布置z軸方向超導(dǎo)主線 圈(4)，在z軸超導(dǎo)主線圈(4)的外部沿z軸布置z軸方向Helmoltz線圈對(3) ;x軸方向 Helmoltz線圈對(1)布置于x軸上、y軸方向Helmoltz線圈對(2)布置于y軸上；x軸、y 軸和z軸在空間上相互垂直相交于原點；通過改變所述的三對Helmoltz線圈的電流在空間 獲得三維方向可調(diào)的旋轉(zhuǎn)磁場；如所述的超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的中心磁場高于10T， z軸方向超導(dǎo) 主線圈(4)采用NbTi和Nb3Sn線圈的組合，其它三對Helmoltz線圈使用NbTi超導(dǎo)線。
全文摘要
一種高磁場大均勻區(qū)旋轉(zhuǎn)磁場的超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)。z軸方向超導(dǎo)主線圈(4)提供較強的背景磁場，z方向Helmoltz線圈對(3)提供z軸方向變化的磁場。x方向跑道形超導(dǎo)線圈(5)對提供x方向的磁場，y方向跑道形超導(dǎo)線圈對(6)提供y方向變化的磁場。通過計算機控制x、y、z方向上的線圈的電流幅值和電流方向，在超導(dǎo)磁體中心取得所需要的旋轉(zhuǎn)磁場。該超導(dǎo)磁體系統(tǒng)用在極端條件下多物理場共同作用于材料和磁光效應(yīng)等物理特性研究場合。
文檔編號H01F41/02GK101794653SQ20101012327
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日
發(fā)明者戴銀明, 王秋良, 胡新寧 申請人:中國科學(xué)院電工研究所