一种磁控拉单晶超导磁体线圈及超导磁体装置
阅读说明：本技术 一种磁控拉单晶超导磁体线圈及超导磁体装置 (Magnetic control single crystal pulling superconducting magnet coil and superconducting magnet device ) 是由 刘伟 李超 李勇 马鹏 葛正福 兰贤辉 张弛 李猛 张文涛 韩志晨 周涛 冯勇 于 2021-11-08 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线圈及超导磁体装置,磁控拉单晶超导磁体线圈包括两个线圈组,两个线圈组相对设置,且每个线圈组均为弧形环结构,线圈组由至少两个环状的子线圈组成,至少两个子线圈依次并排设置。本发明实施例在保留马鞍形线圈磁场利用率高、相同磁场强度需求情况下超导线使用量少等优点的基础上,采用多线圈结构降低单个线圈的绕线难度,利于提高生产效率。同时多线圈结构在强大的电磁力作用下受力更为合理,缓解了线圈在运行过程中失超的风险。(The invention discloses a magnetic control single crystal pulling superconducting magnet coil and a superconducting magnet device. On the basis of keeping the advantages of high utilization rate of the saddle-shaped coil magnetic field, low using amount of the superconducting wire under the condition of the same magnetic field intensity requirement and the like, the embodiment of the invention adopts a multi-coil structure to reduce the winding difficulty of a single coil, thereby being beneficial to improving the production efficiency. Meanwhile, the multi-coil structure is more reasonable in stress under the action of strong electromagnetic force, and the risk of quenching of the coil in the operation process is relieved.)
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线圈及超导磁体装置。
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，截止目前，磁控拉单晶用超导磁体领域，由于单晶硅加工制备的区域性及垄断性，导致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，同时该领域磁体制备技术几乎完全处于保密、封锁状态。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，国内消耗的大部分集成电路及其硅片仍然依赖进口。但经过多年的积累与发展正迎头赶上，近几年也有相关专利进行了保护申请，如CN103106994A、CN110136915A等。然而，以前的磁体大都存在如下问题，如磁体线圈多4个线圈甚至更多，结构复杂、磁场利用率不高，特别是4线圈及以上结构由于线圈与线圈之间磁场有相互抵消的问题，导致磁场利用率较低，因此相同磁场需求下超导线的用量较多成本较高。然而，CN210535437U和CN210429450U，均采用了如图1和2所示的马鞍形线圈，该线圈包括第一马鞍形线圈1和第二马鞍形线圈2，可以很好的避免以上问题，磁体利用率明显提高，产生相同中心磁场B的情况下，超导线的用量不足传统4线圈的1/2，因此相对传统的磁控拉单晶超导磁体生产成本都大大降低。
然而，对于马鞍形线圈也存在一个缺点，由于磁控拉单晶的磁体直径约为2m，且线圈为马鞍形曲面线圈，因此马鞍形线圈的绕制比较困难，耗时较多，这样导致大规模的生产马鞍形磁控拉单晶磁体生产周期及成本都受限于线圈绕制的影响。因此如何在保留马鞍形线圈磁场利用率高的基础上，进一步简化线圈绕制的难度，成为降低成本提高效率的关键。
发明内容
本发明实施例提供了一种磁控拉单晶超导磁体线圈及超导磁体装置，用以解决现有技术中的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种磁控拉单晶超导磁体线圈，包括两个线圈组，两个线圈组相对设置，且每个线圈组均为弧形环结构；
线圈组由至少两个环状的子线圈组成，至少两个子线圈依次并排设置。
在一种可能的实现方式中，线圈组中相邻两个子线圈之间的电流方向相反。
在一种可能的实现方式中，线圈组中至少两个子线圈的形状和尺寸均相同。
在一种可能的实现方式中，至少两个子线圈沿水平方向依次并排设置。
在一种可能的实现方式中，至少两个子线圈沿竖直方向依次并排设置。
在一种可能的实现方式中，至少两个子线圈的数量为至少四个，至少四个子线圈中的至少两个沿水平方向依次并排设置，形成一个子线圈排；其余至少两个子线圈沿竖直方向依次并排设置，形成另一个子线圈排，两个子线圈排沿竖直方向并排设置，形成线圈组。
另一方面，本发明实施例提供了一种超导磁体装置，包括上述的磁控拉单晶超导磁体线圈。
本发明中的一种磁控拉单晶超导磁体线圈及超导磁体装置，具有以下优点：
在保留马鞍形线圈磁场利用率高、相同磁场强度需求情况下超导线使用量少等优点的基础上，采用多线圈结构降低单个线圈的绕线难度，利于提高生产效率。同时多线圈结构在强大的电磁力作用下受力更为合理，缓解了线圈在运行过程中失超的风险。综上，本发明可以提高磁控拉单晶磁体的批量生产效率，降低生产、维修成本，同时还缓解了导致磁体失超风险，进而影响单晶生长质量的重要实现问题。
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为现有技术中马鞍形线圈的结构示意图；
图2为现有技术中马鞍形线圈的磁场示意图；
图3为本发明实施例提供的线圈的立体结构示意图；
图4为本发明实施例提供的线圈的俯视结构示意图。
附图标记说明：1-第一马鞍形线圈，2-第二马鞍形线圈，3-第一分线圈，4-第二分线圈，5-第三分线圈，6-第四分线圈，7-第五分线圈，8-第六分线圈。
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3-4为本发明实施例提供的一种磁控拉单晶超导磁体线圈的结构示意图。本发明实施例提供了一种磁控拉单晶超导磁体线圈，包括两个线圈组，两个线圈组相对设置，且每个线圈组均为弧形环结构；线圈组由至少两个环状的子线圈组成，至少两个子线圈依次并排设置。
示例性地，本发明实施例中的线圈组采用多线圈结构，将现有的马鞍形线圈结构进行分为多个子线圈，保留了马鞍形线圈相对于传统螺线管线圈制作的磁控拉单晶磁体磁场利用率高、相同磁场强度B用线少、漏磁场低等优势，且线圈组整体呈圆弧形，所占的空间大小相对传统螺线管线圈更小，最终使得磁体所占的空间位置更小，磁体最终更为紧凑。而且，产生相同中心磁场B强度的情况下，本发明采用的多线圈结构的磁体漏磁更小，对周围的电磁设备及人影响更小，如需采用磁屏蔽进行漏磁防护所需要的铁轭材料将大大减少。
进一步地，可以根据磁控拉单晶对磁场的要求，更为灵活的改变线圈组中子线圈的数量、大小和形状，满足最终磁场分布及强度的要求。同时，单个子线圈相对更小，便于进行前期的试验测试确保线圈质量。
而且，本发明实施例采用的多线圈结构从结构上将上、下长弧边进行分段，且多线圈竖直边充当了圆弧段的加强结构，所以线圈在受力上更为合理。在线圈通电励磁时缓解了由于强大电磁力导致的超导线圈应力、应变大，而引起超导线圈失超问题，从而使得由多线圈制作的磁控拉单晶磁体运行更为稳定、可靠。同时，本发明实施例采用的多线圈结构方便失超保护，也减小了由于磁体意外失超导致线圈烧毁的风险，同时如同存在线圈烧毁的情况，也更为方便的更换线圈，维修成本更为低廉。
本发明实施例采用多线圈结构将现有的马鞍形线圈的空间曲面结构转换为多线圈的近似平面结构，从而大大降低了马鞍形线圈的绕线难度，生产成本低廉、便于大规模批量生产。
在一种可能的实施例中，线圈组中相邻两个子线圈之间的电流方向相反。
示例性地，当本发明实施例中由多个子线圈组成的线圈组串联后，通入如图3所示的电流时，由于竖直方向相邻的子线圈的运行电流相反，因此磁场相互抵消，最后线圈组中将形成类似于如图1所示的运行电流，所以本发明实施例中多线圈结构最终产生的电磁场将于马鞍形线圈的一致。
在一种可能的实施例中，线圈组中至少两个子线圈的形状和尺寸均相同。
示例性地，现有马鞍形线圈的圆心角为θ，每个线圈组中子线圈的数量为三个，如图3所示，其中一个线圈组由依次并排设置的第一子线圈3、第二子线圈4和第三子线圈5组成，另一个线圈组由依次并排设置的第四子线圈6、第五子线圈7和第六子线圈8组成。第一子线圈3、第二子线圈4和第三子线圈5的形状和尺寸均相同，而且第一子线圈3、第二子线圈4和第三子线圈5的圆心角均为θ/3，因此第一子线圈3、第二子线圈4和第三子线圈5组成的线圈组的圆心角仍为θ。
本发明实施例将单个马鞍形线圈的圆心角θ分成多分，这样单个子线圈的弧度相对减小，使得单个子线圈的绕制难度近似为平面线圈，这样绕制难度降低，可以采用传统的绕线机进行线圈的绕制，最终避免了马鞍形线圈绕制难度大的问题。
在一种可能的实施例中，至少两个子线圈沿水平方向依次并排设置。
示例性地，采用水平方向并排设置的线圈组如图3所示，其中本发明实施例并未将线圈组中子线圈的数量限制为三个，可以根据实际需要进行调整。
在一种可能的实施例中，至少两个子线圈沿竖直方向依次并排设置。
示例性地，将图3线圈组中的子线圈转动90度即可得到沿竖直方向并排设置的线圈组。
在一种可能的实施例中，至少两个子线圈的数量为至少四个，至少四个子线圈中的至少两个沿水平方向依次并排设置，形成一个子线圈排；其余至少两个子线圈沿竖直方向依次并排设置，形成另一个子线圈排，两个子线圈排沿竖直方向并排设置，形成线圈组。
示例性地，采用上述排列方式得到的线圈组包含两个上下并排设置的子线圈排，但是不应理解为对本发明实施例的限制，可以根据实际需要改变子线圈排的数量。同时，对于既有水平方向排列也有竖直方向排列的子线圈，需要确保任意位置的相邻子线圈中的电流方向相反。
本发明实施例还提供了一种超导磁体装置，包括上述的磁控拉单晶超导磁体线圈。
示例性地，除上述磁控拉单晶超导磁体线圈以外，超导磁体装置还包括杜瓦、冷屏等组件，磁控拉单晶超导磁体线圈与其他组件的连接方式、其他组件的结构均为现有技术，本发明实施例不再进行详细描述。
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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