專利名稱：用于產生最小b磁場的超導混合磁體裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種新的六極磁鐵線包和螺旋管線包超導混合磁體結構，主要應用于產生高電荷態(tài)離子的電子回旋共振離子源的最小B磁場結構的超導磁體系統(tǒng)。
背景技術：
由數(shù)個螺旋管線包和六極磁鐵組成的超導混合磁體是當今世界上高電荷態(tài)電子回旋共振離子源的核心組成部分。該超導混合磁體產生一個高磁場強度的最小B磁場結構以約束等離子體，電子沿著最小B磁場中的磁力線不斷地來回旋轉并在特定區(qū)域與饋入的高頻微波發(fā)生共振吸收能量后，與離子和中性原子進行不斷的碰撞電離，產生高電離態(tài)離子，經高電壓形成的電場引出系統(tǒng)引出后產生高流強的離子束。電子回旋共振離子源的四十年發(fā)展歷史證明，最小B磁場結構的磁場峰值和微波的工作頻率越高，產生的等離子 體密度就越高，離子源產生高電荷態(tài)離子束的性能就更好，即離子源能產生更高電荷態(tài)和更高的束流強度。現(xiàn)代的電子回旋共振離子源的磁場最高強度已由早期的O. 5特斯拉增加到4特斯拉，微波工作頻率也相應地由早期的5 6GHz增至28GHz。如今世界各先進國家的學者還在繼續(xù)探索提高這種離子源的性能，以滿足科研和工業(yè)技術發(fā)展的需求。最直接的方法是進一步提高磁場的場強和微波的頻率。建造磁場強度達幾個特斯拉以上最小B磁場結構，需要一個由若干個螺旋管線包和多極磁鐵組成的超導混合磁體，然而在此種混合磁體中存在著巨大的Lorentz作用力。Lorentz力是與兩電流強度的乘積成正比但又反比于兩者的距離，也就是說，兩電流各增加一倍而保持距離不變，Lorentz作用力將是原來的四倍。如果線包間距很短，超導磁鐵中高達I兆安/匝的電流線包間的Lorentz力(斥力和吸力)可輕易地達到數(shù)十噸甚至百噸量級?？朔薮蟮腖orentz斥力是建造這類超導混合磁體的最大技術挑戰(zhàn)，因為這種力是把超導磁體中的線包相互推開。Lorentz吸力，雖然其強度和斥力大小相等，把磁體中的線包相互吸引，但磁鐵線包的機械強度及線包的機械支撐較容易地克服此種吸力。當今高電荷態(tài)電子回旋共振離子源的最小B磁場結構的超導混合磁體通常是由三個螺旋管線包和一個六極磁鐵構成。六極磁鐵是由六個跑道型的線包組裝而成(多體線包),因此六極磁鐵的兩邊都有三個跑道型線包的端部電流與螺旋管電流同向和反向，產生相當大的Lorentz吸力和斥力。在電流強度非常高而線包距離又很近的情況下，六極磁鐵的電流端部與螺旋管的吸力和斥力可達到十噸或更高的量級，這正是現(xiàn)有的由數(shù)個螺旋管線包和六極磁鐵組成的超導混合磁體的特性。如此強度的斥力使超導混合磁體必須采用非常強有力且復雜的機械結構以固定超導線包，確保其穩(wěn)定性。如果固定不當，處于不穩(wěn)定狀態(tài)的超導混合磁體在激勵時很容易移位而導致超導體失超。所以建造超導混合磁體要盡量降低磁體內的斥力。傳統(tǒng)的解決辦法是增加六極磁鐵端部和螺旋管線包之間的軸向距離以降低斥力(但同時磁體的體積會大大地增加)和采用強有力復雜的機械固定系統(tǒng)。除此之外，六極磁鐵的六個跑道型線包的相鄰端部電流反向，對軸上磁場的貢獻為零。當今高電荷態(tài)電子回旋共振離子源的最小B磁場結構的超導混合磁體是用NbTi超導線繞制而成，其工作電流強度已非常接近此種超導體所處外磁場的臨界電流?，F(xiàn)采用的超導混合磁體結構有兩種。一種是最先采用的經典式結構六極磁鐵位于螺旋管內部且其端部大大地往兩端延伸以降低其端部和螺旋管的Lorentz斥力，如此的端部延伸使整個磁體的體積與非經典結構相比成培地增長，從而大幅度地增加了成本；另一種是非經典的磁體結構六極磁鐵位于螺旋管之外和其端部只是軸向地剛剛延伸過螺旋管。此結構利用“冷鐵”結構降低抵消六極磁鐵端部和螺旋管之間的斥力，但同時提供非常強有力的簡單機械夾固，使得整個磁體非常穩(wěn)定。在達到同樣的磁場強度，其體積約為經典結構的一半，當然其制造成本也隨之降低。盡管現(xiàn)有的非經典結構已被實踐證明是一個與經典結構相比更有潛力的優(yōu)良結構，但要是采用這種結構繼續(xù)提高磁場的強度，比如提高一倍，其六極磁鐵端部和螺旋管之間的斥力必將大幅度地提高，需要更加有力的夾固。另外，在此結構中，六極磁鐵是在螺旋管之外，六極磁鐵的磁場沒有被最大地優(yōu)化利用。如果要繼續(xù)提高六極磁鐵和整個最小B的場強，唯有繼續(xù)提高超導磁鐵的電流強度。然而在更高的磁場下，NbTi超導線已無法承載更高的電流。所以用這種結構去提高電流和磁場強度就需用新的超導線材，如Nb3Sn超導 線，繞制磁鐵以克服高磁場對超導體的臨界電流限制。而Nb3Sn超導線不但價格昂貴，約為NbTi超導線的六至十倍，更重要的是其可塑性遠比NbTi超導線差，繞制后還需高溫烘烤數(shù)星期之久以達到期望的臨界電流強度。這一系列的要求大大地增加了磁體的制作難度，復雜性和成本。
發(fā)明內容本實用新型的目的在于避免現(xiàn)有技術的不足提供一種用于產生最小B磁場的超導混合磁體裝置。利用端部電流同向的六極磁鐵線包提供一個螺旋管線包和六極磁鐵線包端部之間為零斥力且緊湊的超導混合磁體以產生高磁場強度的最小B磁場結構。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取的技術方案為一種用于產生最小B磁場的超導混合磁體裝置，包括有多極磁鐵線包和螺旋管線包，其主要特點在于第一螺旋管線包嵌于所述的多極磁鐵線包內注入端處；在所述的多極磁鐵線包的外側同軸設有數(shù)個螺旋管線包。所述的多個螺旋管線包以進行場型調整。多極磁鐵線包的端部和螺旋管之間因電流同向只產生吸力，沒有斥力。所述的用于產生最小B磁場的超導混合磁體裝置，所述的多極磁鐵線包為2-12極磁鐵線包。所述的用于產生最小B磁場的超導混合磁體裝置，還包括有所述的六極磁鐵線包為一體繞制，所述的六極磁鐵線包由六個軸向直線段，每兩個軸向直線段呈60度對稱，其兩端的六個旋轉60度方位的回路電流端部段，每一端的三個電流連接回路端部段具有同一端的120度方位對稱組成；電流流過六極的一個直線段后拐彎90度通過一個端部段之后再拐彎90度反向流過六極的另一直線段，如此重覆循環(huán)構成一個端部段電流均同向并產生非零軸上磁場的的六極磁鐵。所述的用于產生最小B磁場的超導混合磁體裝置，還包括有所述的六極磁鐵線包的外側同軸設有第二螺旋管線包和第三螺旋管線包。所述的用于產生最小B磁場的超導混合磁體裝置，還包括有所述的六極磁鐵線包的端部段電流與第一螺旋管線包、第二螺旋管線包和第三螺旋管線包的電流同向?？上鶚O磁鐵線包端部和螺旋管線包之間的Lorentz斥力和降低反向磁場，故螺旋管線包可徑向地疊加在六級矩的端部電流線段上，縮短整個磁體結構的軸向長度。所述的用于產生最小B磁場的超導混合磁體裝置，還包括有所述的六極磁鐵線包由六邊形不銹鋼筒的六個面支撐其六個端部段和六個直線段。所述的用于產生最小B磁場的超導混合磁體裝置，還包括在所述的六極磁鐵線包的極矩之間以及所述的六極磁鐵線包與螺旋管線包之間有GlO空間充填。所述的用于產生最小B磁場的超導混合磁體裝置，還包括有在所述的六極磁鐵線包的每兩個六極磁鐵直線段之間設有六極磁鐵鐵軛；在所述的六極磁鐵線包的外部設有六極磁鐵的屏蔽軟鐵在六極磁鐵的屏蔽軟鐵的外部設有磁體夾固屏蔽軟鐵在六極磁鐵的屏蔽軟鐵與所述磁體夾固屏蔽軟鐵之間嵌有多個螺旋管線包在所述多個螺旋管線包之間設有六極磁鐵徑向夾固鋁環(huán)，六極磁鐵線包和螺旋管線包的內邊界與超導體的室溫邊界有 絕緣層。每兩個所述的六極磁鐵直線段之間設有與不銹鋼筒焊為一體的六極磁鐵鐵軛。所述的六極磁鐵鐵軛提供固定六極磁鐵的機制和稍微增加極向的磁場強度。所述的6個電流端部段平均地分布于六極磁鐵線包的兩端(每端3個)并旋轉60度方位，其電流均為同向。所述的六極磁鐵端部可疊加電流同向的螺旋管線包。在所述的六極磁鐵線包的一端內置第一螺旋管線包，另一端有外置的第二螺旋管線包，其余的螺旋管線包均為外置。與傳統(tǒng)的結構相比，此新的超導混合磁體能縮短整個磁體結構的軸向長度。本實用新型的有益效果在于本實用新型的優(yōu)點是利用一個一體繞制，端部段電流均同向的多極磁鐵與幾個置于多級磁鐵內外的同向電流螺旋管線包一起構成一個產生高磁鏡比場強的最小B磁場結構。與現(xiàn)有結構最大區(qū)別本實用新型的結構中的多極磁鐵線包的端部段和螺旋管線包排列在同一軸向位置的內層或外層，其同向電流使它們之間只有吸力，沒有斥力，由此所需的機械捆綁固定可相當?shù)睾喕１緦嵱眯滦屠昧鶚O磁鐵線包端部和螺旋管的電流同向實現(xiàn)一個端部零斥力，緊湊的磁體特性提高超導磁體的穩(wěn)定性；利用六極磁鐵線包端部段產生的軸向磁場提高整個最小B磁場的鏡比強度。此結構原理可用于其它的螺旋管和多極磁鐵超導混合磁體。I、本實用新型通過利用一個端部段電流同向的六極磁鐵和多個螺旋管組成的混合超導磁體結構。利用六極磁鐵線包端部和螺旋管的電流同向實現(xiàn)一個端部零斥力的特性提聞超導磁體的穩(wěn)定性。2、與經典和非經典的結構不同，本實用新型的結構其端部零斥力的特性使螺旋管和六極磁鐵線包可處在同一軸向位置的內外徑向層上，由此優(yōu)化利用六極磁鐵產生的徑向磁場和有效地利用其端部產生的非零軸向磁場，以及螺旋管產生的磁場。3、與經典的結構相比，本實用新型的結構的端部零斥力的特性可以大幅度地簡化磁體所需的機械固定系統(tǒng)，使用與非經典結構同樣的機械夾固，但可產生更高強度的磁場。[0021 ] 4、與經典和非經典的結構相比，本實用新型的結構可以在達到軸向的同等磁場強度下，大幅度地降低所需的超導體安匝數(shù)和所處的外磁場強度。5、與經典和非經典的結構相比，本實用新型的結構可以在使用同種超導導線和在基本相同的導線負載情況下，提高徑向和軸向的磁場強度50%以上，明顯優(yōu)于原有的結構。[0023]6、與經典和非經典的結構相比，本實用新型的結構可提高磁鏡比的最小B磁場結構所需的磁場強度。7、可成為一種新型的高性能價格比的超導混合磁體。

圖I為本實用新型的立體示意圖；圖2為本實用新型的一體繞制端部電流均同向的六極磁鐵線包立體示意圖；圖3為本實用新型的六極磁鐵線包和螺旋管線包展開后的電流流向示意圖；圖4為本實用新型的六極磁鐵線包展開后的電流流向示意圖；圖5為本實用新型實施例的左視剖視示意圖；·[0030]圖6為圖5A-A剖視示意圖。圖7為本實用新型的六極磁鐵線包產生的非零軸向磁場位型。圖中1. 一體繞制端部電流均同向的六極磁鐵線包；1_1六極磁鐵線包的注入端端部；1-2.六極磁鐵線包的引出端端部；2.嵌于六極磁鐵線包內的第一螺旋管線包；3.位于六極磁鐵線包外的第二螺旋管線包；4.位于六極磁鐵線包外的第三螺旋管線包；5.六極磁鐵鐵軛；6.六極磁鐵徑向夾固鋁環(huán)；7. GlO空間充填；8.六邊形不銹鋼筒和六極鐵線包的內邊界層；9.超導磁體的室溫六邊形邊界層；10.第一螺旋管線包的內邊界層；11.六極磁鐵的屏蔽軟鐵；12.整個磁體結構的夾固和屏蔽軟鐵。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本實用新型，并非用于限定本實用新型的范圍。實施例I :見圖I,圖3, —種用于產生最小B磁場的超導混合磁體裝置,包括有多極磁鐵線包和螺旋管線包，第一螺旋管線包嵌于所述的多極磁鐵線包內注入端處；在所述的多極磁鐵線包的外側同軸設有數(shù)個螺旋管線包。所述的多個螺旋管線包以進行場型調整。多極磁鐵線包的端部和螺旋管之間因電流同向只產生吸力，沒有斥力。所述的多極磁鐵線包為2-12極磁鐵線包。實施例2 :見圖I,圖3, —種用于產生最小B磁場的超導混合磁體裝置,包括有六極磁鐵線包I和螺旋管線包，第一螺旋管線包2嵌于所述的六極磁鐵線包I內注入端處；所述的六極磁鐵線包I的外側同軸設有第二螺旋管線包3和第三螺旋管線包4。所述的多個螺旋管線包以進行場型調整。見圖2，圖4，所述的六極磁鐵線包I為一體繞制，所述的六極磁鐵線包I由六個軸向直線段，每兩個軸向直線段呈60度對稱，其兩端的六個旋轉60度方位的回路電流端部段，每一端的三個電流連接回路端部段具有同一端的120度方位對稱組成；電流流過六極的一個直線段后拐彎90度通過一個端部段之后再拐彎90度反向流過六極的另一直線段，如此重覆循環(huán)構成一個端部段電流均同向并產生非零軸上磁場的的六極磁鐵。所述的六極磁鐵線包I的端部段電流與第一螺旋管線包2、第二螺旋管線包3和第三螺旋管線包4的電流同向?？上鶚O磁鐵線包端部和螺旋管線包之間的Lorentz斥力和降低反向磁場，故螺旋管線包2，3可徑向地疊加在六級矩的端部電流線段上，縮短整個磁體結構的軸向長度。見圖5，圖6，所述的六極磁鐵線包I由六邊形不銹鋼筒8的六個面支撐其六個端部段和六個直線段。在所述的六極磁鐵線包I的極矩之間以及所述的六極磁鐵線包I與螺旋管線包之間有Gio空間充填7。實施例3 :見圖5,圖6, —種用于產生最小B磁場的超導混合磁體裝置的應用，與實施例2結構相同。還包括有在所述的六極磁鐵線包I的每兩個六極磁鐵直線段之間設有六極磁鐵鐵軛5 ;在所述的六極磁鐵線包I的外部設有六極磁鐵的屏蔽軟鐵11 :在六極磁鐵的屏蔽軟鐵11的外部設有磁體夾固屏蔽軟鐵12 :在六極磁鐵的屏蔽軟鐵11與所述磁體夾固屏蔽軟鐵12之間嵌有多個螺旋管線包在所述多個螺旋管線包之間設有六極磁鐵徑向夾固鋁環(huán)6，六極鐵線包I超導螺旋管線包2的內邊界8，10與超導體的室溫邊界9有絕緣層。每兩個所述的六極磁鐵直線段之間設有與不銹鋼筒焊為一體的六極磁鐵鐵軛5。所述的六極磁鐵鐵軛5提供固定六極磁鐵的機制和稍微增加極向的磁場強度。所述的6個電流端部段平均地分布于六極磁鐵線包的兩端(每端3個)并旋轉60度方位，其電流均為同 向。所述的六極磁鐵I端部1-1，1-2可疊加電流同向的螺旋管線包。在所述的六極磁鐵線包的一端內置第一螺旋管線包2，另一端有外置的第二螺旋管線包3，其余的螺旋管線包均為外置。與傳統(tǒng)的結構相比，此新的超導混合磁體能縮短整個磁體結構的軸向長度。本實用新型制備時，主要部件包括一體繞制端部段電流均同向的六極磁鐵線包1，三個螺旋管線包2，3,4, 一個支撐磁體的不銹鋼六邊形筒上8和充填件7以及屏蔽夾固的鋁環(huán)6和軟鐵11。先在支撐磁體的不銹鋼六邊形筒上8上直接繞制一個端部段電流均同向的六極磁鐵線包I。所述的六極磁鐵線包I的6個電流端部段平均地分布于六極磁鐵線包的兩端(每端3個)并旋轉60度方位，其電流均為同向。所述的六極磁鐵線包I的六個直線段均勻地設于六邊形不銹鋼筒8的六個面上，每兩個所述的六極磁鐵直線段之間設有與不銹鋼筒焊為一體的六極磁鐵鐵軛5。之后在所述的六極磁鐵線包的一端內置預先繞制好的第一螺旋管線包2，再外置的預先繞制好的第二螺旋管線包3和第三螺旋管線包4，夾固鋁環(huán)6和六極磁鐵線包的屏蔽軟鐵11位于六極磁鐵線包I及其端部1-1，1-2的GlO充填物7。最后進行真空環(huán)氧樹脂灌注成型，并裝配超導磁體與室溫的邊界層9和整個磁體結構的夾固件和屏蔽軟鐵12。整個磁體處于液氦杜瓦中由液氦冷卻或由適當?shù)闹评錂C直接冷卻。為了盡量地利用所述混合磁體的徑向磁場強度，采用一個六邊形的等離子體腔體則可最大限度地利用混合磁體所產生的磁場。圖7所示的是由一體繞制的六極磁鐵線包端部段1-1和-2的同向電流產生的非零軸上磁場位型。此非零軸上磁場與螺旋管線包產生的軸上磁場同向，疊加后可增加總磁場的強度以提高磁場鏡像比或在達到預期的磁場鏡像比，相當程度地降低螺旋管線包的安匝數(shù)。實施例4 :所述的六極磁鐵線包I的外側同軸設有第二螺旋管線包3和第三螺旋管線包4及第四螺旋管線包或第五螺旋管線包。以進行場型調整。其余與實施例2結構相同。以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.一種用于產生最小B磁場的超導混合磁體裝置，包括有多極磁鐵線包和螺旋管線包，其特征在于第一螺旋管線包嵌于所述的多極磁鐵線包內注入端處；在所述的多極磁鐵線包的外側同軸設有數(shù)個螺旋管線包。
2.如權利要求I所述的用于產生最小B磁場的超導混合磁體裝置，其特征在于所述的多極磁鐵線包為2-12極磁鐵線包。
3.如權利要求2所述的用于產生最小B磁場的超導混合磁體裝置，其特征在于還包括有所述的六極磁鐵線包為一體繞制，所述的六極磁鐵線包由六個軸向直線段，每兩個軸向直線段呈60度對稱，其兩端的六個旋轉60度方位的回路電流端部段，每一端的三個電流連接回路端部段具有同一端的120度方位對稱組成；電流流過六極的一個直線段后拐彎90度通過一個端部段之后再拐彎90度反向流過六極的另一直線段，如此重覆循環(huán)構成一個端部段電流均同向并產生非零軸上磁場的的六極磁鐵。
4.如權利要求2所述的用于產生最小B磁場的超導混合磁體裝置，其特征在于還包括有所述的六極磁鐵線包由六邊形不銹鋼筒的六個面支撐其六個端部段和六個直線段。
5.如權利要求2所述的用于產生最小B磁場的超導混合磁體裝置，其特征在于還包括有所述的六極磁鐵線包的外側同軸設有第二螺旋管線包和第三螺旋管線包。
6.如權利要求5所述的用于產生最小B磁場的超導混合磁體裝置，其特征在于還包括有所述的六極磁鐵線包的端部段電流與第一螺旋管線包、第二螺旋管線包和第三螺旋管線包的電流同向。
7.如權利要求2所述的用于產生最小B磁場的超導混合磁體裝置，其特征在于還包括在所述的六極磁鐵線包的極矩之間以及所述的六極磁鐵線包與螺旋管線包之間有GlO空間充填。
8.如權利要求2所述的用于產生最小B磁場的超導混合磁體裝置，其特征在于還包括有在所述的六極磁鐵線包的每兩個六極磁鐵直線段之間設有六極磁鐵鐵軛；在所述的六極磁鐵線包的外部設有六極磁鐵的屏蔽軟鐵在六極磁鐵的屏蔽軟鐵的外部設有磁體夾固屏蔽軟鐵在六極磁鐵的屏蔽軟鐵與所述磁體夾固屏蔽軟鐵之間嵌有多個螺旋管線包在所述多個螺旋管線包之間設有六極磁鐵徑向夾固鋁環(huán)，六極磁鐵線包和超導螺旋管線包的內邊界與超導體的室溫邊界有絕緣層。
專利摘要本實用新型涉及一種新的六極磁鐵和螺旋管線包的超導混合磁體結構，主要應用于產生高電荷態(tài)離子的電子回旋共振離子源的最小B磁場結構的超導磁體系統(tǒng)。一種用于產生最小B磁場的超導混合磁體裝置，包括有多極磁鐵線包和螺旋管線包，其主要特點在于第一螺旋管線包嵌于所述的多極磁鐵線包內注入端處；在所述的多極磁鐵線包的外側同軸設有數(shù)個螺旋管線包。本實用新型的優(yōu)點是利用一個一體繞制，端部段電流均同向的多極磁鐵與幾個置于多級磁鐵內外的同向電流螺旋管線包一起構成一個產生高磁鏡比場強的最小B磁場結構。與現(xiàn)有結構最大區(qū)別本實用新型的結構中的多極磁鐵線包的端部段和螺旋管線包排列在同一軸向位置的內層或外層，其同向電流使它們之間只有吸力，沒有斥力，由此所需的機械捆綁固定可相當?shù)睾喕?br> 文檔編號H01J3/22GK202632926SQ20122013830
公開日2012年12月26日 申請日期2012年4月1日 優(yōu)先權日2012年4月1日
發(fā)明者謝祖祺, 趙紅衛(wèi), 盧旺, 張雪珍 申請人:中國科學院近代物理研究所