专利名称：一种产生旋转磁场的超导磁体的制作方法
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高磁场超导磁体。
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方法进行磁场旋转幅度变化的调节，常规的永磁主要采 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超导磁体，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。同 时对于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和普通磁 体相比较结构复杂，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。本发明的超导磁体系统结构简单，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超
导磁体结构。
方案一 本发明超导磁体产生较低的磁场例如5 6T的中心磁场时，所述的超导磁体包 括x轴方向Helmoltz线圈对、y轴方向Helmoltz线圈对和z轴方向Helmoltz线圈对。x 轴方向Helmoltz线圈对通过串联供电提供x方向的磁场，y轴方向Helmoltz线圈对通过 串联供电提供y方向的磁场，z轴方向Helmoltz线圈对通过串联供提供z方向的磁场。x 轴方向Helmoltz线圈对布置于x轴上，y轴方向Helmoltz线圈对布置于y轴上，z轴方向 Helmoltz线圈对布置于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线圈对、y轴方向Helmoltz线圈对和z轴方向Helmoltz线圈对使用铌钛超导细 丝线材制成。三对线圈对分别单独供电，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中心取得所需要的旋转磁场。构成超导磁体的超导线圈采用NbTi超导 细丝线材，超导线圈使用液氦浸泡冷却。
方案二 对于高磁场小均匀区旋转磁场，本发明超导磁体在方案一三对Helmoltz线圈的 基础上，增加一个z轴方向超导主线圈。主线圈提供较高的背景磁场，其它三对Helmoltz线 圈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 的强度的幅值大小。z轴方向超导主线圈产生恒定的背景磁场。z轴上布置z轴方向超导主 线圈，在z轴超导主线圈的外部沿z轴布置z轴方向Helmoltz线圈对。x轴方向Helmoltz 线圈对布置于x轴上，y轴方向Helmoltz线圈对布置于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获得三维方 向可调的旋转磁场。产生的中心磁场高于10T， z轴方向超导主线圈采用NbTi和Nb3Sn线 圈的组合，其它三对Helmoltz线圈使用NbTi超导线。
方案三 对于磁场高于10T高磁场大均匀区旋转磁场，本发明超导磁体采用一个z轴方向 超导主线圈产生主磁场，使用两对跑道或马鞍形的线圈分布在所述的z轴方向超导主线圈 的外面，产生均匀变化方向的磁场。由于跑道或马鞍形线圈的有一定的长度，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。本发明超导磁体包括z轴方 向超导主线圈，z方向Helmoltz线圈对，x方向跑道形超导线圈对，y方向跑道形超导线圈 对。z轴方向超导主线圈提供较强的背景磁场，z方向Helmoltz线圈对提供z轴方向变化 的磁场，x方向跑道形超导线圈对提供x方向的磁场，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轴方向超导主线圈，在z轴超导主线圈的外部沿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方向Helmoltz线圈对 和x方向跑道形超导线圈对和y方向跑道形超导线圈对采用铌钛超导细丝线材。本发明超 导磁体的中心磁场小于lOT，z轴方向超导主线圈采用铌钛超导细丝线材。如果中心磁场大 于10T， z轴方向超导主线圈采用NbTi和Nb3Sn线圈的组合。如果中心磁场大于20T， z轴 方向超导主线圈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。
本发明所述的z轴方向超导主线圈采用低温超导线圈和高温超导线圈组合的方 式。其他线圈采用NbTi或高温超导线圈均可。z轴方向超导主线圈产生较高的中心磁场， 外面放置的跑道形或马鞍形线圈与另外一对Helmoltz线圈以一定时序改变电流从而得到 旋转磁场。 本发明超导磁体具有磁场取向连续调节的特点。超导磁体结构简单紧凑。磁体采 用制冷机直接冷却的方式。从而极大提高超导线圈的利用效率，减小一些分离间隙的距离。
本发明的超导磁体采用制冷机冷却液氦或直接冷却的方式。超导线圈的线材可以 是高温超导线材，或是Nb3Sn与高温超导体的组合，或NbTi或Nb3Sn线圈的组合，或三种材 料的组合，以形成更高的磁场。
图1方案一具有三对Helmoltz线圈组成的超导磁体结构图，图中lx轴方向Helmoltz线圈对，2y轴方向Helmoltz线圈对，3z轴方向Helmoltz线圈对； 图2方案二具有高磁场强度旋转磁场超导磁体结构图，图中4z轴方向超导主线
圈； 图3方案三具有较大均匀区域的旋转磁场的超导磁体结构图，图中5x方向跑道 形超导线圈对，6y方向跑道形超导线圈对。
具体实施例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l所示，本发明方案一为适用于产生较低磁场的超导磁体的结构，x轴方向 Helmoltz线圈对1通过串联供电提供x方向的磁场，y轴方向Helmoltz线圈对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均可以使用极细丝的铌钛低温超导线材制成。三对Helmoltz线 圈通过的电流为I, ，Iy和Iz，三对线圈分别使用独立的电源供电。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。x轴方 向Helmoltz线圈对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线圈对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系统的背景磁场适合于高磁场应用，同时 适当增加磁场均匀区的范围。本发明方案二的超导磁体结构为在方案一的基础上，在z方 向上位于z轴方向Helmoltz线圈对3的中心增加一个z轴方向超导主线圈4， z轴方向超 导主线圈4提供较高的恒定的背景磁场，其它三对Helmoltz线圈提供在空间可以变化的磁 场。z轴上布置z轴方向超导主线圈4，在z轴超导主线圈4的外部沿z轴布置z轴方向 Helmoltz线圈对3。 x轴方向Helmoltz线圈对1布置于x轴上、y轴方向Helmoltz线圈 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线圈的电流在空间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线圈使用NbTi超导线。 如图3所示，为了进一步提高线圈的使用效率，同时提供较大均匀区域的范围，本 发明方案三为一个高磁场大均匀区旋转磁场的超导磁体结构。z轴方向超导主线圈4提供 较强的背景磁场，该线圈使用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5对提供x方向的磁场，y方向跑道形超导线圈对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轴超导主线圈的外部沿z 轴布置z轴方向Helmoltz线圈对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方向跑道形超导线圈对6。 x轴、y轴和z轴在空间上相互垂直相交于原点。三对线 圈分别使用独立的电源供电。通过计算机控制所述的x、y、z线圈的电流I,，Iy和Iz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轴方向超导主线圈4 由另外一 电源供电提供稳定的背景磁场。
权利要求
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z轴方向超导主线圈(4)，z轴方向Helmoltz线圈对(3)，x方向跑道形超导线圈对(5)，y方向跑道形超导线圈对(6)；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方向的磁场，y方向跑道形超导线圈对(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轴超导主线圈(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方向跑道形超导线圈对(6)；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线圈对(3)和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)采用铌钛超导细丝线材绕制，z轴方向超导主线圈(4)采用铌钛超导细丝线材绕制，所述的超导磁体的中心磁场小于10T；如果所述的超导磁体产生的中心磁场大于10T，则z轴方向超导主线圈(4)采用NbTi和Nb3Sn线圈的组合；如果所述的超导磁体的产生中心磁场大于20T，z轴方向超导主线圈(4)采用低温和高温超导线圈组合；所述的超导磁体使用制冷机和液氦冷却。
2. 按照权利要求1所述的一种产生旋转磁场的超导磁体，其特征在于，所述的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)分 别独立供电；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，在所述的超导 磁体中心取得所需要的旋转磁场；z轴方向超导主线圈(4)由一台电源单独供电。
3. —种产生旋转磁场的超导磁体，其特征在于，若所述的超导磁体所产生的中心磁场 为5-6T，所述的超导磁体包括x轴方向Helmoltz线圈对(1)、 y轴方向Helmoltz线圈对 (2)和z轴方向Helmoltz线圈对(3) ;x轴方向Helmoltz线圈对(1)通过串联供电提供 x方向的磁场，y轴方向Helmoltz线圈对(2)通过串联供电提供y方向的磁场，z轴方向 Helmoltz线圈对(3)通过串联供提供z方向的磁场；x轴方向Helmoltz线圈对(1)、y轴方 向Helmoltz线圈对(2)和z轴方向Helmoltz线圈对(3)使用铌钛超导细丝线材制成；所 述的x、 y、 z三个方向的三对Helmoltz线圈对分别独立供电，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，在所述的超导磁体中心取得所需要的旋转磁场；x轴方向 Helmoltz线圈对(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线圈对(3)布置于z轴上，x轴、y轴和z轴相互垂直在空间上相交于原点。
4. 一种产生旋转磁场的超导磁体，其特征在于，所述的超导磁体采用三对Helmoltz线 圈和一个z轴方向超导主线圈(4)的结构；所述的z轴方向超导主线圈(4)提供恒定的 背景磁场，其它三对Helmoltz线圈提供在空间变化的磁场；z轴上布置z轴方向超导主线 圈(4)，在z轴超导主线圈(4)的外部沿z轴布置z轴方向Helmoltz线圈对(3) ;x轴方向 Helmoltz线圈对(1)布置于x轴上、y轴方向Helmoltz线圈对(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线圈的电流在空间 获得三维方向可调的旋转磁场；如所述的超导磁体产生的中心磁场高于10T， z轴方向超导 主线圈(4)采用NbTi和Nb3Sn线圈的组合，其它三对Helmoltz线圈使用NbTi超导线。
全文摘要
一种高磁场大均匀区旋转磁场的超导磁体结构。z轴方向超导主线圈(4)提供较强的背景磁场，z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(5)对提供x方向的磁场，y方向跑道形超导线圈对(6)提供y方向变化的磁场。通过计算机控制x、y、z方向上的线圈的电流幅值和电流方向，在超导磁体中心取得所需要的旋转磁场。该超导磁体系统用在极端条件下多物理场共同作用于材料和磁光效应等物理特性研究场合。
文档编号H01F41/02GK101794653SQ20101012327
公开日2010年8月4日 申请日期2010年3月12日 优先权日2010年3月12日
发明者戴银明, 王秋良, 胡新宁 申请人:中国科学院电工研究所