一种提供x射线全散射装置强磁场条件的超导磁体系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种提供X射线全散射装置强磁场条件的超导磁体系统，具体的是一种具有广角光学窗口的、多对NbTi/Cu与Nb3Sn超导线圈组合的、中心磁场强度为10T的超导磁体系统。
【背景技术】
[0002]强磁场下的材料科学和凝聚态物理是自然科学的重要研究领域之一。10T以上的强磁场提供的能量(?meV)与材料中的晶场能、交换能以及各种元激发等的能量量级相当，相应的磁长度(magnetic length?ΙΟΟΑ)与材料中电子平均自由程、磁关联长度、超导相干长度等特征“尺寸”相当，故而可以对处于其中的材料的物性产生根本性影响。
[0003]理论上，获取强磁场下材料的结构信息是弄清强磁场下物理效应的微观机制的关键和进行相关材料设计的基础。通常人们对材料结构的认识来源于X射线衍射或中子衍射所得的平均结构信息(即长程周期性晶格结构)。目前，国际上已经将超导磁体与X射线结合起来，用衍射方法来研究相关材料中磁场诱导的平均晶体结构变化，并且取得了许多原创性成果，但超导磁体的磁场强度都远低于10T。国内目前还未见将超导磁体与X射线衍射结合方面的报道。
[0004]现今，低温超导技术的迅速发展为获取10T以上量级的强磁场条件提供了技术保障，使得强磁场下的物性测试(如磁化率、电输运、热输运、比热、光谱等)得以广泛开展。因此，利用国内生产的低温超导线材，通过开发的工艺技术路线，研制出具有广角光学窗口的高场超导磁体系统，并将该系统所提供的10T强磁场与实验室X射线光源结合起来实现相关测试功能，用来研究材料在强磁场下的平均(基于衍射功能)、局域晶格结构(基于全散射功能)变化，可为研究强磁场下材料物理效应的微观机制提供完整的微观结构信息，同时也为基于微尺度效应的材料设计提供参考依据，因此具有十分重要的现实意义。
一种提供X射线全散射装置强磁场条件的超导磁体系统，一方面可为X射线全散射装置提供具有广角光学窗口；另一方面根据测试用户的需要，可提供0 - 10T可调的强磁场条件。目前国外研制应用于强磁场下X射线全散射装置的超导磁体系统所提供的中心磁场强度多为0 - 5T范围，国内此项研究仍为空白还处在研究发展之中。
[0005]
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为用于强磁场下材料物性研究和材料设计的X射线全散射装置提供强磁场条件，具体是一种提供X射线全散射装置强磁场条件的超导磁体系统，可提供10T中心磁场强度，具有长时间闭环运行且运行成本低廉等优点，结构紧凑且稳定可靠，可实现液氦零蒸发。
[0007]本发明采用的技术方案是:
一种提供X射线全散射装置强磁场条件的超导磁体系统，包括有超导磁体部分和低温系统部分，其特征在于:所述超导磁体部分是采用多对分离的超导线圈组合而成，超导线圈对的骨架采用两组分离式结构组合而成，所述骨架中间设有用于安装80° + 80°垂直广角室温光学窗口的空间和为插入测试样品所用的水平室温孔径，可在4.5K液氦温度下运行，可提供0 - 10T可调的中心磁场强度。
[0008]所述的提供X射线全散射装置强磁场条件的超导磁体系统，其特征在于:所述多对分离的超导线圈包括两对NbTi/Cu线圈和一对Nb3Sn线圈。
[0009]所述的提供X射线全散射装置强磁场条件的超导磁体系统，其特征在于:所述骨架包括一组NbTi/Cu磁体绕组骨架、一组Nb3Sn磁体绕组骨架，每组NbTi/Cu磁体绕组骨架或Nb3Sn磁体绕组骨架分别包括两个对称的骨架结构，每个骨架结构包括有内侧板、外侧板以及中间连接内侧板、外侧板的线圈轴，两对NbTi/Cu线圈绕制在同一组NbTi/Cu磁体绕组骨架的两个骨架结构的线圈轴上，构成内NbTi/Cu线圈、外NbTi/Cu线圈，Nb3Sn线圈绕制在Nb3Sn磁体绕组骨架的两个骨架结构的线圈轴上;所述Nb3Sn磁体绕组骨架的骨架结构镶嵌在NbTi/Cu磁体绕组骨架的骨架结构内；所述NbTi/Cu磁体绕组骨架的两个骨架结构的内侧板的内侧壁上设有可拆卸的安装结构。
[0010]所述的一种提供X射线全散射装置强磁场条件的超导磁体系统，其特征在于:所述安装结构包括有多个安装块，各安装块固定在所述内侧板上，两内侧板上的安装块采用三个012_长为100mm骑缝销进行定位和限位，并利用12个M12螺钉内六角螺钉进行紧固。
[0011 ]所述的提供X射线全散射装置强磁场条件的超导磁体系统，其特征在于:所述骨架中间设置的用于安装80° + 80°垂直广角室温光学窗口的空间中安装有80° + 80°垂直广角室温光学窗口，其劈裂缝室温宽度为10_。
[0012]所述的提供X射线全散射装置强磁场条件的超导磁体系统，其特征在于:所述为插入测试样品所用的水平室温孔径的尺寸为040 _。
[0013]所述的提供X射线全散射装置强磁场条件的超导磁体系统，其特征在于:所述外NbTi/Cu线圈对提供6.84T中心磁场，内插的Nb3Sn线圈对提供3.16T中心磁场。
[0014]所述的提供X射线全散射装置强磁场条件的超导磁体系统，其特征在于:所述超导磁体部分的整个线圈绕组采用并联方式连接一个超导开关和两个二极管两个二极管极向相反。
[0015]所述的提供X射线全散射装置强磁场条件的超导磁体系统，其特征在于:所述低温系统部分包括有低温杜瓦、防辐射屏、液氦收集室、G-Μ制冷机7、主磁体小液氦室，所述超导磁体部分安装在主磁体小液氦室，液氦收集室和主磁体小液氦室置于防辐射屏内，防辐射屏的外表面通过可调节的吊杆与低温杜瓦连接，防辐射屏上端面与G-Μ制冷机的一级冷头连接以实现对防辐射屏的供冷;主磁体小液氦室通过横向拉杆穿过防辐射屏与低温杜瓦连接，主磁体小液氦室的一端通过侧边吊杆吊装在防辐射屏的一个承重法兰、另一端通过限位热绝缘支撑柱穿过防辐射屏与低温杜瓦进行点接触;GM制冷机7的4.2K二级冷头直接与液氦再冷凝器连接后插入液氦收集室内，同时液氦收集室与主磁体小液氦室采用导管进行连通。
[0016]所述的提供X射线全散射装置强磁场条件的超导磁体系统，其特征在于:所述低温杜瓦上端面上开有抽气孔以获得真空，同时留有备用输液口和插入一对150A的高温电流引线对超导磁体部分进行供电，还设有失超爆破阀门以释放压力。
[0017]本发明的超导磁体系统在通以额定工作电流时可产生最大为10T中心磁场强度，具有80° + 80°垂直广角光学室温窗口(劈裂缝室温宽度为10mm)和040 mm水平室温孔径，磁场均匀度优于土 0.7% (在lcm DSV内)，主要为X射线衍射测量装置提供强磁场环境，也可以应用到其他同类型科学研究仪器与装置上。本发明的超导磁体系统能够长时间的实现闭环运行，且实现长时间的闭环运行的关键在于尽量减少该超导磁体系统中所有线圈的接头电阻。
[0018]本发明的优点是:
本发明的超导磁体系统提供80° +80°垂直广角室温光学窗口(其劈裂缝室温宽度为10mm)和为插入测试样品所用的040 mm水平室温孔径，可在4.5K液氦温度下运行，可提供0-10T可调的中心磁场强度；
本发明的超导磁体系统采用多对分离的超导线圈对组合而成，其超导材料分别为NbTi/Cu和Nb3Sn，并通过采用分离式结构组合而成的线圈骨架研制、NbTi/Cu和Nb3Sn密绕分离线圈制作工艺以及各股线之间的接头制作工艺等关键技术来实现；
本发明的超导磁体系统可实现在lcm DSV内磁场均匀度优于土 0.7%，可为乂射线衍射测量装置提供优质的强磁场环境，同时具有长时间的闭环运行且运行成本低廉等优点，结构紧凑且稳定可靠，可实现液氦零蒸发。
[0019]【附图说明】:
图1(a)为本发明中超导磁体系统的磁体骨架示意图。
[0020]图1(b)为图1(a)的B向视图。
[0021 ] 图1(c)为图1(a)的A-A视图。
[0022]图2为图1的C部安装结构三维示意图。
[0023]图3为本发明中超导磁体系统的绕组主体部分示意图。
[0024]图4(a)为本发明的整体空间配置示意图。
[0025]图4(b)为本发明的整体平面图。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明:
一种提供X射线全散射装置强磁场条件的超导磁体系统，包括有超导磁体部分和低温系统部分，超导磁体部分是采用多对分离的超导线圈组合而成，超导线圈对的骨架采用两组分离式结构组合而成，骨架中间设有用于安装80° + 80°垂直广角室温光学窗口的空间和为插入测试样品所用的水平室温孔径，可在4.5K液氦温度下运行，可提供0 - 10T可调的中心磁场强度。
[0027]超导磁体部分:如图1所示，超导线圈对的骨架的主体结构主要包括左右两个NbTi/Cu磁体绕组骨架1和2以及左右两个Nb3Sn磁体绕组骨架3和4。所有超导线圈的绕组骨架材料均采用为316LN低温高强度无磁不锈钢，左右两个NbTi/Cu磁体绕组骨架1和2采用分离组合结构，中间为80° +80°垂直广角光学室温窗口提供足够的空间，每组NbTi/Cu磁体绕组骨架1、2或Nb3Sn磁体绕组骨架3、4分别包括两个对称的骨架结构，每个骨架结构包括有内侧板8、外侧板9以及中间连接内侧板8、外侧板9的线圈轴10，两对NbT i /Cu线圈绕制在同一组NbTi/Cu磁体绕组骨架的两个骨架结构的线圈轴10上，构成内NbTi/Cu线圈、夕卜NbTi/Cu线圈，Nb3Sn线圈绕制在Nb3Sn磁体绕组骨架的两个骨架结构的线圈轴10上;Nb3Sn磁体绕组骨架3、4的骨架结构镶嵌在NbTi/Cu磁体绕组骨架1、2的骨架结构内；所述NbTi/Cu磁体绕组骨架1、2的两个骨架结构的内侧板8的内侧壁上设有可拆卸的安装结构7。安装结构7包括有多个安装块11，各安装块11固定在所述内侧板8上，两内侧板8上的安装块11采用三个012mm长为100mm骑缝销5进行定位和限位，并利用12个M12螺钉内六角螺钉6进行紧固，如图2所示。为了克服分离线圈中超导磁体的绕组所受相互压缩的轴向洛仑兹力:一方面尽可能地增加每个磁体骨架内侧板的厚度，另一方面在左右两个NbTi/Cu磁体绕组骨架1和2上采用安装结构7连接两个NbTi/Cu磁体绕组骨架1和2，使其部分力由NbTi/Cu磁体绕组骨架1转移到NbTi/Cu磁体绕组骨架2的外侧板9上。此外，Nb3Sn磁体绕组骨架3、4镶嵌到NbTi/Cu磁体绕组骨架1、2内，以便于安装和更换。由于整个磁体分别由MwSn与NbTi/Cu超导线圈对组合而成，为了保证磁场的品质，磁体的各骨架尺寸和位置精度以及装配精度要求比较高。
[0028]低温系统部分:如图4所示，包括:低温杜瓦12、防辐射屏13、液氦收集室(含再冷凝器)14、主磁体小液氦室的横向拉杆15、主磁体小