一种具有室温磁场腔体的紧凑型超导磁体装置
阅读说明：本技术 一种具有室温磁场腔体的紧凑型超导磁体装置 (Compact superconducting magnet device with room temperature magnetic field cavity ) 是由 瞿体明 杨置荣 杨文将 宋彭 吴其红 于 2020-12-11 设计创作，主要内容包括：本发明属于超导磁体应用技术领域,涉及一种具有室温磁场腔体的紧凑型超导磁体装置。本发明的超导磁体装置,包括线圈环形腔室、超导线圈和外壳腔室等部件。超导线圈设于所述线圈环形腔室所形成的容纳腔体内,线圈环形腔室设于外壳腔室内部。线圈环形腔室内部流经冷却介质冷却超导线圈,线圈环形腔室与外壳腔室之间的真空层起隔热作用。线圈中心能够提供一个室温磁场空间。本发明的超导磁体装置,线圈环形腔室延长伸出外壳,仅在线圈环形腔室与环境之间存在一次密封馈穿,且密封面处在磁体外部,密封实现简单,可修复性好。(The invention belongs to the technical field of superconducting magnet application, and relates to a compact superconducting magnet device with a room-temperature magnetic field cavity. The superconducting magnet device comprises a coil annular chamber, a superconducting coil, a shell chamber and other components. The superconducting coil is arranged in an accommodating cavity formed by the coil annular cavity, and the coil annular cavity is arranged in the shell cavity. A cooling medium flows through the inside of the coil annular chamber to cool the superconducting coil, and a vacuum layer between the coil annular chamber and the shell chamber plays a role in heat insulation. The center of the coil can provide a room temperature magnetic field space. According to the superconducting magnet device, the coil annular chamber extends out of the shell, only one sealing feed-through exists between the coil annular chamber and the environment, the sealing surface is positioned outside the magnet, sealing is easy to realize, and repairability is good.)
技术领域
本发明属于超导磁体应用技术领域，具体而言，涉及一种具有室温磁场腔体的紧凑型超导磁体装置。
背景技术
在磁场环境的作用下，物质的状态、结构和性质往往会出现显著的变化。由于超导材料具有较高的通流能力，因此能够提供比常导体磁体更高的背景磁场强度，将非常有助于推动在高场环境下，物理、化学、生物等学科的探索和研究。
在现有技术中，因为超导材料仅在临界温度以下才具有超导性能，超导磁体所产生的磁场空间均处于低温环境下，无法提供一个室温磁场环境。
在现有技术中需要将超导磁体的强弱电连接及冷却通道引至室温环境中，同时需要在磁体外包真空层以实现降低漏热。需要实现超导磁体与真空层，真空层与环境的两次密封馈穿，增加馈穿实现的复杂程度。同时当磁体与真空层之间的馈穿出现故障之后，由于其处于整个磁体装置的内部，难以修复，运行可靠性差。例如公开号为CN109300646A、名称为“用于超导磁体的线圈结构以及超导磁体”的中国专利申请，采用传热管导热的方式进行冷却，并且将该装置置于低温保持器中，其产生的中心磁场均处于低温环境下，无法获得室温磁场空间。
发明内容
本发明的目的是提出一种具有室温磁场腔体的紧凑型超导磁体装置，除了用于超导磁体的线圈结构，还设有与所述线圈热耦合的传热管，以提供一个室温磁场空间，以供其他需要在室温磁场下的实验需要。同时，该磁体仅在超导磁体与环境之间存在一次密封馈穿，且密封面处在磁体外部，密封实现简单，可修复性好。
本发明提出的具有室温磁场腔体的紧凑型超导磁体装置，包括具有真空腔室的外壳和超导线圈；所述的超导线圈置于具有真空腔室的外壳内的线圈腔室中，具有真空腔室的外壳的外壁上设有真空法兰端口，真空腔室通过真空法兰口与真空泵密封连接，外壳的真空腔室中设有绝缘垫块；所述的线圈腔室与液氮管道相连通，通过液氮管道的液氮流经线圈腔室以冷却超导线圈，使超导线圈具有超导性能；所述的超导线圈的线圈之间设有线圈间端子，超导线圈通过超导线圈端子和电连接件与电真空馈穿件相连接，通过电馈穿件和电连接件向超导线圈通电，超导线圈在通电状态下激发磁场，磁场空间位于超导线圈中心的空腔内。
上述超导磁体装置中，所述的线圈腔室延长伸出具有真空腔室的外壳，其中线圈腔室与延长段腔体相连通。
上述超导磁体装置中，所述的液氮管道全部或部分采用波纹管，以缓解超导磁体装置在工作过程中的热应力。
上述超导磁体装置中，所述的电连接件全部或部分采用铜编织带，以缓解超导磁体装置在工作过程中的热应力。
本发明出的具有室温磁场腔体的紧凑型超导磁体装置，其优点是：
本发明具有室温磁场腔体的紧凑型超导磁体装置，相较于其他超导磁体装置，本发明所提供的磁场空间处于室温下，同时线圈环形腔室延长伸出外壳，仅在线圈环形腔室与环境之间存在一次密封馈穿，且密封面处在磁体外部，密封实现简单，可修复性好。
附图说明
图1为本发明提出的具有室温磁场腔体的紧凑型超导磁体装置的结构示意图。
图2为本发明超导磁体装置的外形示意图。
图1-图2中，1是电真空馈穿件，2是电连接件，3是真空法兰端口，4是具有真空腔室的外壳，5是线圈腔室，6是绝缘垫块，7是超导线圈，8是线圈间端子，9是超导线圈端子，10是液氮管道，11是绝缘垫圈，12是外壁前端盖，13是隔板。
具体实施方式
本发明提出的具有室温磁场腔体的紧凑型超导磁体装置，其结构如图1和图2所示，包括具有真空腔室的外壳4和超导线圈7；所述的超导线圈7置于具有真空腔室的外壳4内的线圈腔室5中，具有真空腔室的外壳4的外壁上设有真空法兰端口3，真空腔室通过真空法兰口3与真空泵(图中未示出)密封连接，外壳4的真空腔室中设有绝缘垫块6；所述的线圈腔室5与液氮管道10相连通，通过液氮管道10的液氮流经线圈腔室5以冷却超导线圈，使超导线圈7具有超导性能；所述的超导线圈7的线圈之间设有线圈间端子8，超导线圈7通过超导线圈端子9和电连接件2与电真空馈穿件1相连接，通过电馈穿件1和电连接件2向超导线圈7通电，超导线圈在通电状态下激发磁场，磁场空间位于超导线圈7中心的空腔内。
上述超导磁体装置中，所述的线圈腔室5延长伸出具有真空腔室的外壳4，其中线圈腔室5与延长段腔体相连通。
上述超导磁体装置中，所述的液氮管道10全部或部分采用波纹管，以缓解超导磁体装置在工作过程中的热应力。
上述超导磁体装置中，所述的电连接件2全部或部分采用铜编织带，以缓解超导磁体装置在工作过程中的热应力。
本发明的具有室温磁场腔体的紧凑型超导磁体装置中，使用电连接件2与超导线圈7的超导线圈端子9进行连接，使用绝缘垫圈11对电连接件2进行导向。使用铜编织带将电连接件2与外部是电真空馈穿件1相连接。电真空馈穿件1与线圈腔室5的外壁前端盖12进行密封连接。
本发明超导磁体装置中，液氮管道10局部或者全部采用波纹管柔性连接，液氮管道10与线圈腔室外壁前端盖12进行密封连接。具有真空腔室的外壳4通过真空法兰口3与真空泵(图中未示出)密封连接。
下面结合附图详细描述根据本发明实施例的一种具有室温磁场腔体的紧凑型超导磁体装置：本实施方式中，采用绕线机将超导线材绕至与线圈骨架上形成单个双饼超导线圈。将四个双饼线圈绕制完成之后，将每个双饼线圈引出的导线焊接在线圈间端子8上，组装成超导线圈体，将四个超导线圈7的端部与超导线圈端子9焊接在一起。将绕制焊接完成的超导线圈体装配于线圈腔室5内，超导线圈体下部于腔体之间垫有绝缘支撑板(图中未示出)，利用的沉头螺钉将磁体电流端子支撑固定于绝缘支撑板上进行紧固连接，绝缘支撑板起到防止短路与漏热的作用。线圈腔室5内部区域除放置超导线圈7之外，还作为冷却介质的流通通道，在本实施例中，采用过冷液氮作为冷却超导线圈7。电连接件2通过螺钉与超导线圈端子9连接在一起，电连接件2通过绝缘垫圈与隔板固定，隔板不起隔绝密封作用，只作为电连接件2与液氮管道10的支撑结构，其中线圈所处腔体和延长段腔体是连通的。电连接件2通过柔性连接与电真空馈穿件1相连接，在本实施例中，采用铜编织带作为柔性连接，铜编织带两端分别与电连接件2和电真空馈穿件1焊接在一起。铜编织带具有一定的伸缩能力，可以缓解在磁体降温过程中由于各材料热膨胀系数不匹配所带来的热应力。液氮通道10与隔板13之间采用焊接的形式连接，其中液氮管道局部或全部采用柔性连接，在本实施例中，液氮管道10部分采用波纹管来形成柔性连接，波纹管具有一定的伸缩能力，可以缓解在磁体降温过程中由于各材料热膨胀系数不匹配所带来的热应力。电真空馈穿件1与线圈环形腔室外壁前端盖12采用真空连接，本实施例中采用的是KF法兰连接，液氮管道10与线圈环形腔室前端面采用真空连接，本实施例中采用的是焊接连接。线圈环形腔室伸出外壳腔室形成线圈环形腔室前端面，液氮管道10和电真空馈穿件1均与线圈环形腔室前端面进行密封连接，密封面均位于磁体外部，密封实现简单，检漏操作容易实现，真空出现问题可以及时修复，运行稳定性高。线圈腔室伸长段内部可以填充泡沫等材料，一方面阻止液氮进入该区域；另一方面起到隔热作用，增大液氮与线圈腔室前端面的热阻，降低漏热。在本实施例中，填充材质为硬质泡沫。真空法兰端口3与真空腔室4外壁通过焊接连接，在本实施例中，真空法兰口3用于抽真空，降低外真空腔室4和线圈腔室5之间的绝对压强，从而降低漏热。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施方式所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围内。
本发明提出的具有室温磁场腔体的紧凑型超导磁体装置，其工作原理如下：
本发明的具有室温磁场腔体的紧凑型超导磁体装置，主要由线圈腔室、真空腔室、超导线圈、液氮管道和电通道等组成。工作时，通过一个液氮管道10向线圈腔室5输入液氮，通过另一个液氮管道输出液氮，液氮流经线圈腔室5冷却超导线圈7，使超导线圈7降至77K及以下，此时超导线圈7具有超导性能。工作时，因为整个线圈腔室5处于较低的温度，所以需要对线圈腔室和真空腔室之间的薄层空间抽真空，降低外部环境向液氮腔室的漏热。工作时，通过电馈穿件1和电连接件2向超导线圈7通电，超导线圈7在通电的状态下能够激发磁场，主要磁场空间位于超导线圈7中心的空腔内，同时由于真空腔的隔热作用，能够使磁场空间处于室温环境中，因此该装置提供了一个室温磁场腔体。
本发明超导磁体装置中的液氮管道，可以全部或者部分采用波纹管，波纹管具有一定的伸缩能力，可以缓解在磁体降温过程中由于各材料热膨胀系数不匹配所带来的热应力。
电连接件可以全部或者部分采用铜编织带，铜编织带具有一定的伸缩能力，可以缓解在磁体降温过程中由于各材料热膨胀系数不匹配所带来的热应力。
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