用于產生最小B磁場的超導混合磁體裝置制造方法及圖紙

本實用新型專利技術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個螺旋管線包。本實用新型專利技術的優(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。與現有結構最大區(qū)別：本實用新型專利技術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地簡化。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術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)。
技術介紹
由數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)可輕易地達到數十噸甚至百噸量級。克服巨大的Lorentz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，這正是現有的由數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。現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。
技術實現思路
本技術的目的在于避免現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。為實現上述目的，本技術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。可消除六極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本文檔來自技高網...

【技術保護點】
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個螺旋管線包。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：謝祖祺，趙紅衛(wèi)，盧旺，張雪珍，
申請(專利權)人：中國科學院近代物理研究所，
類型：實用新型
國別省市：