专利名称：一种用于磁控直拉单晶用MgB<sub>2</sub>超导磁体的制作方法
技术领域：
本发明属于超导电工技术领域，涉及一种用于磁控直拉单晶用MgB2超导磁体。
背景技术：
目前，生产单晶硅的方法主要有直拉法、区熔法，直拉法生产的单晶硅占世界单晶硅总量的70%以上。进入超大规模集成电路时代以来，大直径硅单晶一直是热门的研发课题。但是，随着晶体尺寸的增大，熔体的热对流增强，氧和掺杂剂的分布均匀性大受影响。为了解决这些问题，逐步发展了磁场直拉单晶技术(MCZ)。通过在直拉法(CZ法)单晶生长的基础上对坩埚内的熔体施加强磁场，使熔体的热对流受到抑制。由于熔体硅具有导电性，在磁场的作用下，熔体的流动必然引起感生电流，于是产生洛伦兹力，在洛伦兹力的作用下，熔体内的热对流得到抑制，晶体熔体界面处的氧、点缺陷及其它杂质也可得到控制。因此，为了获得大尺寸、高质量的单晶硅，施加磁场是一个有效的方法。传统的MCZ方法中的磁场装置主要采用永磁材料(发明名称:一种半导体级单晶硅生产工艺，申请号201110199182.6，申请日2011年7月15日)、铜排等制作的磁体(发明名称:大直径单晶炉勾型电磁场装置，申请号201120137901.7，申请日2011年5月4日；发明名称:单晶炉勾形磁场装置，申请号201020107968.1，申请日2010年2月4日)；近年来，随着超导磁体技术的发展，一些企业开始采用液氦冷却的超导磁体系统提供磁场。通常使用永磁体制作0.2T-0.5T的低场磁体，随着永磁材料钕铁硼中的稀土材料大幅涨价，低场永磁磁体的成本越来越高；使用常导铜制作的常导磁体磁场一般为0.2T，但其功率巨大，需要庞大的冷却水系统；而投入使用的磁控单晶用超导磁体大部分属于比较成熟的液氦浸泡的低温超导磁体，采用低温超导线材NbT1、Nb3Sn等液氦浸泡的方式制冷。但低温超导磁体成本高，而且由于必须工作在液氦温区(4.2K)，制冷和维护费用很高。随着液氦资源的紧张，制冷技术的发展，传导冷却(conduction-cooled,也称制冷机冷却、无液氦、Cryogen-Free)超导磁体技术的研究正在逐步走向实用,这样,采用传导冷却技术制造的磁拉单晶用MgB2超导磁体的制造成为了可能。由于超导材料可以实现无阻载流，更容易获得更高的磁场强度。高温超导磁体一般使用MgB2 (二硼化镁)超导线、Bi (铋)系(Bi2212、Bi2223)超导线或第二代Y (钇)系(YBCO涂层导体)超导线制造。其中，2001年发现的MgB2新型超导材料，其超导起始转变温度达到39K，该超导材料具有晶体结构简单、相干长度长、加工制作简单等很多优点，使得该材料在很多方面的应用被看好。由于使用MgB2制作的超导磁体采用制冷机制冷、不使用液氦等昂贵的冷媒，液氮温区即可使用，在磁控单晶领域具有巨大的潜在价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于磁控直拉单晶用MgB2超导磁体，解决了现有磁控直拉单晶用常导磁体系统复杂、功耗巨大、制冷成本高昂的问题。本发明所采用的技术方案是，一种用于磁控直拉单晶用MgB2超导磁体，包括低温容器，制冷机安装到所述低温容器上。本发明的特征还在于，制冷机由制冷机一级冷头、制冷机二级冷头组成；低温容器由外到内依次设置的外层低温容器、防辐射冷屏、线圈容器组成，线圈容器内设置有MgB2超导绕组，其中，制冷机一级冷头与防辐射冷屏相连，制冷机二级冷头与MgB2超导绕组相连，二元电流引线由无氧铜线与超导部分连接而成，与室温接触一侧采用无氧铜线，无氧铜线另一端与超导部分一端连接后安装在制冷机一级冷头处，二元电流引线的超导部分的另一端与MgB2超导绕组相连。低温容器分为上下两层，两组MgB2超导绕组分别设置在低温容器的两层中，两层之间通过绕组杜瓦支撑体支撑；线圈容器设置两个，两个线圈容器分别设置在低温容器分为上下两层相对安装，线圈容器通过线圈容器支撑架固定支撑在防辐射冷屏内。线圈容器表面设置低温预冷流体容器，低温预冷流体容器采用液氮或液氖作为预冷却介质。低温容器中间设置有单晶炉安装孔。制冷机二级冷头与MgB2超导绕组通过导冷铜编织带相连。线圈容器与MgB2超导绕组采用螺栓固定。MgB2超导绕组采用MgB2超导线带材绕制，采用悬挂支撑结构进行连接。MgB2超导绕组采用螺线管方式绕制或采用双饼线圈形式绕制。防辐射冷屏内外表面粘贴多层镀铝的PET薄膜。本发明制作的磁控直拉单晶用高温超导磁体具有磁场强度高、制作成本低、系统简单、功耗小、操作容易等优点，由于硅熔体的热对流得到有效抑制，能使拉出的单晶硅具有更高的纯度和均匀性，晶体熔体界面处的氧、点缺陷及其它杂质得到了有效控制。
图1是本发明一种实施例的结构示意图。图2是本发明另一种实施例的结构示意图。图3是图1的顶视图。图中，1.制冷机、2.外层低温容器、3.防辐射冷屏、4.线圈容器、5.MgB2超导绕组、
6.导冷铜编织带、7.线圈容器支撑架、8.制冷机一级冷头、9.制冷机二级冷头、10.绕组杜瓦支撑体、11.二元电流引线、12.低温预冷流体容器、15.单晶炉安装孔。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。一种用于磁控直拉单晶用MgB2超导磁体的结构如图1所示，制冷机I安装到低温容器上，其中，制冷机I由制冷机一级冷头8、制冷机二级冷头9组成；低温容器由外到内依次设置的外层低温容器2、防辐射冷屏3、线圈容器4组成。线圈容器4内设置有MgB2超导绕组5。低温容器中间设置有单晶炉安装孔15。
其中，制冷机一级冷头8与防辐射冷屏3相连，制冷机二级冷头9与MgB2超导绕组5通过导冷铜编织带6相连。制冷机二级冷头9与MgB2超导绕组5相连，用来给MgB2超导绕组5的磁体线圈降温，达到所使用的高温超导材料临界温度以下并维持其低温环境；制冷机一级冷头8与低温容器的防辐射冷屏3相连，维持低温容器的低温环境。低温容器其结构分为三层。最外层为外层低温容器2，以维持整个系统的真空状态；中层为防辐射冷屏3，用来遮挡辐射热量；内层为线圈容器4，用来安装1%82超导绕组5。其中外层低温容器2采用不锈钢焊接而成，保持真空状态，降低空气的传导热；防辐射冷屏3采用铜或铝制成，用来遮挡辐射漏热，防辐射冷屏3内外表面粘贴多层镀铝的PET薄膜，以达到降低漏热的效果。线圈容器4安装在防辐射冷屏3内部，MgB2超导绕组5安装在线圈容器4内部。线圈容器4与MgB2超导绕组5采用螺栓固定。线圈容器4有两种形式，第一种为非真空形式，如图1中线圈容器4所示，完全由制冷机I完成线圈的冷却过程。第二种形式为真空容器形式，如图2所示，即在线圈容器4表面设置低温预冷流体容器12，低温预冷流体容器12采用液氮或液氖作为预冷却介质。两种形式都需要线圈容器4具有良好的导热能力，采用铜或铝制作。该种磁控直拉单晶用超导磁体需两个线圈容器4相对安装。线圈容器4采用线圈容器支撑架7进行固定支撑在防辐射冷屏3内。MgB2超导绕组5为产生磁场的部件，采用MgB2超导线带材绕制，设置在低温容器内部第三层的线圈容器4内，采用悬挂支撑结构进行连接。MgB2超导绕组5有两种形式。第一种采用螺线管方式绕制；第二种采用双饼线圈形式绕制，最终组合成1882超导绕组5。绕组的工作温度高于使用的超导材料的临界温度。二元电流引线11由无氧铜线与超导部分连接而成。与室温接触一侧采用无氧铜线，无氧铜线另一端与超导部分一端连接后安装在制冷机一级冷头8处进行降温，二元电流引线11的超导部分的另一端与MgB2超导绕组5相连。二元电流引线11主要作用是将电源电流弓I入MgB2超导绕组5中。低温容器分为上下两层，两组MgB2超导绕组5分别设置在低温容器的两层中，两层之间通过绕组杜瓦支撑体10支撑，绕组杜瓦支撑体10采用非磁性材料制作，以消除磁体工作时两组绕组间的电磁力。单晶炉安装孔15直径为1300mm，适用于直径为300mm直拉单晶炉使用，磁体总高度为 11 SOmnin直拉单晶(CZ法)一般分为装料、熔料、熔接、细颈、放肩、转肩、等径生长和收尾等阶段。本发明提供的一种用于磁控直拉单晶用MgB2超导磁体，主要在熔料、熔接、细颈、放肩、转肩、等径生长和收尾阶段应用。采用螺线管方式绕制完成MgB2超导绕组5，将MgB2超导绕组5安装在低温容器内部第三层的线圈容器4内，线圈容器4与MgB2超导绕组5采用螺栓固定，将线圈容器4安装在防辐射冷屏3内部，防辐射冷屏3安装在外层低温容器2内，采用线圈容器支撑架7进行连接。将制冷机I安装到外层低温容器2上，制冷机一级冷头8与防辐射冷屏3相连，制冷机二级冷头9与MgB2超导绕组5通过导冷铜编织带6相连，用来给MgB2超导绕组5的磁体线圈降温。将二元电流引线11无氧铜线一端安装在制冷机一级冷头8处，二元电流引线11的超导部分的另一端与MgB2超导绕组5相连。同样的，完成上下两层的低温容器安装。两组MgB2超导绕组5分别设置在低温容器的两层中，两层之间通过绕组杜瓦支撑体10支撑，以消除磁体工作时两组绕组间的电磁力。在拉晶前首先对磁体进行抽真空，真空度达到10_4以上即可打开制冷机1，对磁体进行降温；对于带有液氮预冷类型的绕组，对绕组进行液氮预冷。整个降温时间大致需要90小时；当温度达到20K以下时，打开磁体励磁电源，对二元电流引线11进行加电，此时磁体即产生磁场。磁场强度大小根据拉晶工艺自行设定。采用本实施例制作的高温超导磁体实施例与常规磁体相比，具有更低的能耗，能够有效抑制硅熔体内的热对流，对单晶硅的品质提高效果明显。使用该种磁场下拉制的单晶硅具有更高的电阻率和更长的少子寿命，其电阻率可达400 Ω.cm，用光电导衰减法测得少数载流子寿命高达10000 μ S。同时，磁场拉晶的拉速与未加磁场相比可以提高10%以上，
大大提1 了拉晶生广效率 。
权利要求
1.一种用于磁控直拉单晶用MgB2超导磁体，其特征在于，包括低温容器，制冷机(I)安装到所述低温容器上。
2.根据权利要求1所述的用于磁控直拉单晶用MgB2超导磁体，其特征在于，所述制冷机(I)由制冷机一级冷头(8)、制冷机二级冷头(9)组成； 所述低温容器由外到内依次设置的外层低温容器(2)、防辐射冷屏(3)、线圈容器(4)组成，所述线圈容器(4)内设置有MgB2超导绕组(5)， 其中，所述制冷机一级冷头(8)与防辐射冷屏(3)相连，所述制冷机二级冷头(9)与MgB2超导绕组(5)相连， 二元电流引线(11)由无氧铜线与超导部分连接而成，与室温接触一侧采用无氧铜线，无氧铜线另一端与超导部分一端连接后安装在制冷机一级冷头(8)处，二元电流引线(11)的超导部分的另一端与所述MgB2超导绕组(5)相连。
3.根据权利要求2所述的用于磁控直拉单晶用MgB2超导磁体，其特征在于，所述低温容器分为上下两层，两组1882超导绕组(5)分别设置在低温容器的两层中，两层之间通过绕组杜瓦支撑体(10)支撑；所述线圈容器(4)设置两个，两个线圈容器(4)分别设置在低温容器分为上下两层相对安装，所述线圈容器(4)通过线圈容器支撑架(7)固定支撑在防辐射冷屏(3)内。
4.根据权利要求2所述的用于磁控直拉单晶用MgB2超导磁体，其特征在于，所述线圈容器(4)表面设置低温预冷流体容器(12)，低温预冷流体容器(12)采用液氮或液氖作为预冷却介质。
5.根据权利要求2所述的用于磁控直拉单晶用MgB2超导磁体，其特征在于，所述低温容器中间设置有单晶炉安装孔(15)。
6.根据权利要求2所述的用于磁控直拉单晶用MgB2超导磁体，其特征在于，所述制冷机二级冷头(9)与MgB2超导绕组(5)通过导冷铜编织带(6)相连。
7.根据权利要求2所述的用于磁控直拉单晶用MgB2超导磁体，其特征在于，所述线圈容器(4)与MgB2超导绕组(5)采用螺栓固定。
8.根据权利要求2所述的用于磁控直拉单晶用MgB2超导磁体，其特征在于，所述MgB2超导绕组(5)采用MgB2超导线带材绕制，采用悬挂支撑结构进行连接。
9.根据权利要求2所述的用于磁控直拉单晶用MgB2超导磁体，其特征在于，所述MgB2超导绕组(5 )采用螺线管方式绕制或采用双饼线圈形式绕制。
10.根据权利要求2所述的用于磁控直拉单晶用MgB2超导磁体，其特征在于，所述防辐射冷屏(3)内外表面粘贴多层镀铝的PET薄膜。
全文摘要
本发明公开了一种用于磁控直拉单晶用MgB2超导磁体，包括低温容器，制冷机安装到所述低温容器上。本发明制作的磁控直拉单晶用高温超导磁体具有磁场强度高、制作成本低、系统简单、功耗小、操作容易等优点，由于硅熔体的热对流得到有效抑制，能使拉出的单晶硅具有更高的纯度和均匀性，晶体熔体界面处的氧、点缺陷及其它杂质得到了有效控制。
文档编号H01F6/04GK103106994SQ201310034330
公开日2013年5月15日 申请日期2013年1月29日 优先权日2013年1月29日
发明者李超, 闫果, 梁书锦, 熊小伟, 葛正福, 刘向宏, 冯勇, 张平祥 申请人:西部超导材料科技股份有限公司