一种磁控拉单晶超导磁体及磁屏蔽方法
阅读说明：本技术 一种磁控拉单晶超导磁体及磁屏蔽方法 (Magnetic control single crystal pulling superconducting magnet and magnetic shielding method ) 是由 刘伟 李超 马鹏 张弛 李勇 葛正福 兰贤辉 冯勇 刘向宏 张平祥 于 2021-09-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种磁控拉单晶超导磁体,包括屏蔽结构和超导线圈。屏蔽结构包括磁屏蔽铁轭上板、磁屏蔽铁轭下板和磁屏蔽铁轭筒体,磁屏蔽铁轭上板和磁屏蔽铁轭下板分别连接在磁屏蔽铁轭筒体的两端,磁屏蔽铁轭筒体为多层结构。超导线圈设置在磁屏蔽结构内部。本发明采用多层优化过的磁屏蔽结构,在节约电工纯铁的基础上,进一步降低磁体的漏磁,从而满足磁控拉单晶用超导磁体周围电气设备的安全、稳定运行。同时单层磁屏蔽结构的厚度也较小,可以降低因单层较厚电工纯铁磁屏蔽结构造成的磁屏蔽与超导线圈之间的电磁作用力过大,诱发的磁体运行稳定性问题的风险,提高磁控拉单晶用超导磁体的稳定性,保证生产效率及稳定性。(The invention discloses a magnetic control single crystal pulling superconducting magnet, which comprises a shielding structure and a superconducting coil. The shielding structure comprises a magnetic shielding iron yoke upper plate, a magnetic shielding iron yoke lower plate and a magnetic shielding iron yoke barrel, the magnetic shielding iron yoke upper plate and the magnetic shielding iron yoke lower plate are respectively connected to two ends of the magnetic shielding iron yoke barrel, and the magnetic shielding iron yoke barrel is of a multilayer structure. The superconducting coil is disposed inside the magnetic shield structure. The invention adopts a multilayer optimized magnetic shielding structure, further reduces the magnetic leakage of the magnet on the basis of saving electrician pure iron, thereby meeting the requirement of safe and stable operation of electrical equipment around the superconducting magnet for magnetically controlling and pulling single crystals. Meanwhile, the thickness of the single-layer magnetic shielding structure is smaller, the risk of the problem of the induced running stability of the magnet due to overlarge electromagnetic acting force between the magnetic shielding and the superconducting coil caused by the single-layer thicker electrician pure iron magnetic shielding structure can be reduced, the stability of the superconducting magnet for magnetic control crystal pulling is improved, and the production efficiency and the stability are ensured.)
技术领域
本发明涉及半导体生产设备技术领域，特别涉及一种磁控拉单晶超导磁体及磁屏蔽方法。
背景技术
高纯单晶硅广泛应用于太阳能电池、集成电路、半导体等行业，是光伏发电、电子信息等高新技术产业的关键材料之一，在保障能源、信息、国家安全方面具重要的战略地位。
根据已有的文献调研可知，目前国外研制单位主要为日本的住友Sumitomo，东芝Toshiba及日本超导技术公司JASTEC等企业。国内单晶硅相关研究虽与日本同时起步，但就目前总体而言，生产技术水平仍然相对较低。近几年国内也有相关专利进行了保护申请，如CN103106994A、CN110136915A、ZL201922296007.3。然而，当前的磁体大都存在如下两个问题：(1)磁体未采用电工纯铁进行磁屏蔽，(2)采用较厚的电工纯铁进行磁屏蔽。未进行磁屏蔽的磁体势必会因为磁控拉单晶超导磁体强大的磁场导致漏磁过大，进而影响磁体周围的电气设备，甚至影响相邻磁体的磁场分布，影响单晶硅的高质量生长。而采用单层较厚电工纯铁进行磁屏蔽的磁控拉单晶磁体，需要较厚的电工纯铁才能将漏磁降低到合理水平，这样不仅浪费电工纯铁，而且过厚的电工纯铁与超导磁体线圈之间也会产生过大的电磁作用力，使得超导磁体运行稳定性受到一定的影响。
发明内容
本发明实施例提供了一种磁控拉单晶超导磁体及磁屏蔽方法，用以解决现有技术中使用单层较厚电工纯铁进行磁屏蔽存在的浪费电工纯铁以及影响超导磁体运行稳定性的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种磁控拉单晶超导磁体，包括屏蔽结构和超导线圈；
屏蔽结构包括：磁屏蔽铁轭上板、磁屏蔽铁轭下板和磁屏蔽铁轭筒体，磁屏蔽铁轭上板和磁屏蔽铁轭下板分别连接在磁屏蔽铁轭筒体的两端，磁屏蔽铁轭筒体为多层结构；
超导线圈设置在磁屏蔽结构内部。
在一种可能的实现方式中，磁屏蔽铁轭上板和磁屏蔽铁轭下板相互平行，磁屏蔽铁轭筒体的两端分别垂直连接在磁屏蔽铁轭上板和磁屏蔽铁轭下板上，且磁屏蔽铁轭筒体位于磁屏蔽铁轭上板和磁屏蔽铁轭下板的外侧边缘位置。
在一种可能的实现方式中，磁屏蔽铁轭上板、磁屏蔽铁轭下板和磁屏蔽铁轭筒体均使用电工纯铁制成。
在一种可能的实现方式中，还包括杜瓦，杜瓦为空心的封闭结构，杜瓦设置在磁屏蔽结构内部，超导线圈设置在杜瓦内部。
在一种可能的实现方式中，杜瓦包括外杜瓦和内杜瓦；外杜瓦设置在屏蔽结构内部靠近磁屏蔽铁轭筒体的一侧，内杜瓦设置在靠近屏蔽结构轴心的位置。
在一种可能的实现方式中，内杜瓦使用无磁材料制成。
在一种可能的实现方式中，还包括冷屏，冷屏为空心结构，冷屏设置在杜瓦内部，超导线圈设置在冷屏内部。
在一种可能的实现方式中，还包括制冷机，制冷机设置在屏蔽结构外部，制冷机的制冷输出端连接有一级冷头，一级冷头与冷屏连接。
在一种可能的实现方式中，超导线圈绕设在线圈骨架上。
另一方面，本发明实施例还提供了一种磁控拉单晶超导磁体的磁屏蔽方法，包括：
确定磁屏蔽结构的层数；
组装磁屏蔽结构；
将超导线圈设置在磁屏蔽结构内部。
本发明中的一种磁控拉单晶超导磁体及磁屏蔽方法，具有以下优点：
采用多层优化过的磁屏蔽结构，在节约电工纯铁的基础上，进一步降低磁体的漏磁，从而满足磁控拉单晶用超导磁体周围电气设备的安全、稳定运行。同时单层磁屏蔽结构的厚度也较小，可以降低因单层较厚电工纯铁磁屏蔽结构造成的磁屏蔽与超导线圈之间的电磁作用力过大，诱发的磁体运行稳定性问题的风险，提高磁控拉单晶用超导磁体的稳定性，保证生产效率及稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种磁控拉单晶超导磁体的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种磁控拉单晶超导磁屏蔽方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种磁控拉单晶超导磁体的结构示意图。本发明实施例提供了一种磁控拉单晶超导磁体，包括屏蔽结构和超导线圈410；
屏蔽结构包括：磁屏蔽铁轭上板100、磁屏蔽铁轭下板110和磁屏蔽铁轭筒体120，磁屏蔽铁轭上板100和磁屏蔽铁轭下板110分别连接在磁屏蔽铁轭筒体120的两端，磁屏蔽铁轭筒体120为多层结构；
超导线圈410设置在磁屏蔽结构内部。
示例性地，磁屏蔽铁轭上板100和磁屏蔽铁轭下板110均为圆环形板，且二者大小相同。磁屏蔽铁轭上板100位于磁屏蔽铁轭下板110的正上方，磁屏蔽铁轭筒体120的上下两端分别连接在磁屏蔽铁轭上板100和磁屏蔽铁轭下板110上，且磁屏蔽铁轭筒体120连接在磁屏蔽铁轭上板100和磁屏蔽铁轭下板110的外侧边缘位置，因此整个屏蔽结构形成了圆柱状空心筒的形状。而超导线圈410设置在屏蔽结构内部，在磁屏蔽铁轭筒体120的作用下，超导线圈410通电产生的强磁场能够被限制在屏蔽结构内部，不会或者仅有很少的漏磁产生。
在一种可能的实施例中，磁屏蔽铁轭上板100和磁屏蔽铁轭下板110相互平行，磁屏蔽铁轭筒体120的两端分别垂直连接在磁屏蔽铁轭上板100和磁屏蔽铁轭下板110上，且磁屏蔽铁轭筒体120位于磁屏蔽铁轭上板100和磁屏蔽铁轭下板110的外侧边缘位置。
示例性地，磁屏蔽铁轭上板100和磁屏蔽铁轭下板110均处于水平状态，因此当磁屏蔽铁轭筒体120垂直连接在磁屏蔽铁轭上板100和磁屏蔽铁轭下板110之间后，磁屏蔽铁轭筒体120即处在竖直状态。且磁屏蔽铁轭筒体120的多层结构之间具有间隙。
在一种可能的实施例中，磁屏蔽铁轭上板100、磁屏蔽铁轭下板110和磁屏蔽铁轭筒体120均使用电工纯铁制成。
示例性地，使用电工纯铁材料制成的磁屏蔽铁轭上板100、磁屏蔽铁轭下板110和磁屏蔽铁轭筒体120可以有效阻挡超导线圈410产生的强磁场外泄。
在一种可能的实施例中，还包括杜瓦200，杜瓦200为空心的封闭结构，杜瓦200设置在磁屏蔽结构内部，超导线圈410设置在杜瓦200内部。
示例性地，杜瓦200内部为抽真空状态，以减少超导线圈410与杜瓦200外部的热量交换，使超导线圈410能够始终处在超导临界温度以下。
在一种可能的实施例中，杜瓦200包括外杜瓦和内杜瓦130；外杜瓦设置在屏蔽结构内部靠近磁屏蔽铁轭筒体120的一侧，内杜瓦130设置在靠近屏蔽结构轴心的位置。
示例性地，由于单晶炉等设备设置在屏蔽结构的轴心处，超导线圈410产生的强磁场需要作用在单晶炉等设备上，因此位于靠近屏蔽结构轴心处的内杜瓦130使用无磁材料制成，以避免对磁场形成屏蔽，使磁场能够顺利穿透并作用在屏蔽结构轴心处的设备上。
在一种可能的实施例中，还包括冷屏300，冷屏300为空心结构，冷屏300设置在杜瓦200内部，超导线圈410设置在冷屏300内部。
示例性地，冷屏300与一级冷头510连接，一级冷头510则连接在制冷机500的制冷输出端上，制冷机500设置在屏蔽结构外部。在本发明的实施例中，制冷机500为G-M制冷机。制冷机500通过一级冷头510将低温传递给冷屏300，进而降低冷屏300的温度，使冷屏300内部的超导线圈410始终处在低温状态，确保超导线圈410具有良好的工作状态。同时，由于冷屏300整体处在真空的杜瓦200内部，因此冷屏300不会和杜瓦200外部发生热交换，使冷屏300能够始终处在低温状态。
在一种可能的实施例中，超导线圈410绕设在线圈骨架400上。
示例性地，线圈骨架400为O型结构，且该O型结构的线圈骨架400具有弧度，即形成类似马鞍的形状。在本发明的实施例中，线圈骨架400的数量为两个，两个线圈骨架400的结构相同，且对称设置在冷屏300内部两侧，两个线圈骨架400之间即通过导冷连接结构520连接在一起，而导冷连接结构520则安装在冷屏300的内侧面上。线圈骨架400不但为超导线圈410提供结构支撑，抵抗超导磁体运行时产生的电磁力所导致的超导线圈410变形，同时线圈骨架400也充当了超导线圈410的导冷结构，线圈骨架400与位于屏蔽结构内底面上，即磁屏蔽铁轭下板110顶面上的磁导冷结构接触，该磁导冷结构与二级冷头连接，二级冷头再与一级冷头510连接，使低温能够传递至超导线圈410。同时，一级冷头510也与冷屏300连接，通过冷屏300也为超导线圈410提供了低温环境。
本发明实施例还提供了一种磁控拉单晶超导磁体的磁屏蔽方法，如图2所示，方法包括：
S200、确定磁屏蔽结构的层数；
S210、组装磁屏蔽结构；
S220、将超导线圈410设置在磁屏蔽结构内部。
示例性地，屏蔽结构，具体来说是磁屏蔽铁轭筒体120的层数以及厚度可以根据相关设计参数结合电工纯铁的磁化曲线进行优化设计，以达到超导磁体的漏磁要求。确定磁屏蔽的层数，具体来说是磁屏蔽铁轭筒体120的层数后，即可组装得到磁屏蔽结构。接着依次安装杜瓦200、冷屏300、线圈骨架400、超导线圈410以及制冷机400，整体超导磁体就安装完成了。使用前需要先将杜瓦200内部抽真空，优选真空度需要达到10-2Pa，然后启动制冷机500使超导线圈410逐渐达到工作温度。最后再对超导线圈410通电励磁，当电流达到要求值后，即可结合单晶炉进行高纯度单晶硅的生产。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
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