一种传导冷却闭环马鞍形磁控拉单晶超导磁体装置制造方法及图纸

一种传导冷却闭环马鞍形磁控拉单晶超导磁体装置，包括铁轭外筒；铁轭外筒内设有真空外杜瓦；真空外杜瓦内设有冷屏；冷屏内设有线圈骨架；线圈骨架上设有超导线圈；左右两个超导线圈通过左右线圈连接装置相连；左右线圈连接装置上设有超导闭环开关；超导闭环开关通过电流引线与电源相连，超导闭环开关通过超导电流引线与超导线圈相连；超导闭环开关前侧设有导冷板；导冷板上设有线圈冷体支撑杆、G‑M制冷机；开启超导闭环开关内的加热器，使超导闭环开关变为常导态；开启励磁电源，对超导线圈通电励磁，当电流达到要求值后；关闭超导闭环开关内的加热器，超导闭环开关恢复超导态，实现闭环运行；具有磁体成本低、单晶生长质量好的特点。

A closed loop saddle shaped magnetically controlled single crystal superconducting magnet with conduction cooling

【技术实现步骤摘要】
一种传导冷却闭环马鞍形磁控拉单晶超导磁体装置
本技术属于磁控拉单晶用超导磁体
，具体涉及一种传导冷却闭环马鞍形磁控拉单晶超导磁体装置。
技术介绍
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。然而，由于磁拉单晶技术的核心部件—大型超导强磁体装置，其设计技术难度高、加工制造难度大、成本和风险居高不下等原因，导致国内缺乏相关基础研究和技术积累，该项技术被日、美、德等国完全垄断。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）及三菱等企业，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2013年，李超，闫果等，提出的“一种用于磁控直拉单晶用MgB2超导磁体”公开号：（CN103106994A），2019年，汤洪明，傅林坚等，提出“一种超导磁体和磁控直拉单晶设备”公开号：（CN110136915A），然而，以前的磁体大都存在如下问题，如磁体线圈多4个圆形线圈结构甚至更多，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，导致磁体本身的电感较大，因此储能较高，磁体失超后温度上升的较多，很难短时间内回复磁体的磁场。同时，目前的磁控拉单晶磁体多为开环运行，这就导致当突发情况如断电时，磁体会面临失超的危险，当磁体出现失超后线圈给磁体自身储存的能量加热，温度升高，重新降温励磁需要少则几个小时，因此突然情况引起的磁体失超问题，对正在生产的单晶材料质量必然影响较大，同时也可能直接导致超导磁体的烧毁等问题。
技术实现思路
为克服上述现有技术的不足，本技术的目的是提供一种传导冷却闭环马鞍形磁控拉单晶超导磁体装置，具有简化磁体装置，引入超导闭环开关（PCS）及常温卸能电阻，降低磁体生产成本及降低意外情况导致磁体失超对单晶生长造成的质量问题的特点。为实现上述目的，本技术采用的技术方案是：一种传导冷却闭环马鞍形磁控拉单晶超导磁体装置，包括有铁轭外筒；铁轭外筒内设有真空外杜瓦；真空外杜瓦内设有冷屏；冷屏内设有线圈骨架；线圈骨架上设有超导线圈5；其特征在于，左右两个超导线圈5通过左右线圈连接装置相连；左右线圈连接装置上设有超导闭环开关11；超导闭环开关11通过电流引线与电源相连，超导闭环开关通过超导电流引线与超导线圈相连；超导闭环开关的前侧还设有导冷板；导冷板底部设有线圈冷体支撑杆；导冷板上部设有G-M制冷机。所述的线圈骨架上设有磁场强度监测传感器。所述的超导线圈采用马鞍形超导线圈。所述的超导线圈有2个，2个超导线圈串联后与二极管D1、二极管D2、超导闭环开关、常温下卸能电阻并联；电源通过断路器与超导线圈串联；二极管D1与二极管D2正反相连；常温部分的断路器和电源采用常导体无氧铜导线连接，低温部分中的超导线圈、超导闭环开关、高温超导电流引线采用超导导线进行电气连接，二极管D1和二极管D2与超导线圈采用常导体无氧铜线连接。与现有技术相比，本技术的有益效果是：本技术相对于传统的常规电磁铁可以提供更高的磁场强度，并通过新概念的提出，该磁体对磁场的利用率更高，因此相同磁场强度要求情况下，相对传统的磁控拉单晶磁体生产成本更低。同时，该磁体所提出的闭环运行及外部卸能设计理念，可以较好的解决磁控拉单晶实际生产过程中所无法避免的突发情况，导致磁体失超进而影响单晶生长质量的重要问题，为更好的推动单晶硅制备磁体的国产化，批量化、稳定性上具有重要的现实需求。在马鞍形新型的超导线圈结构的基础上，利用马鞍形线圈对磁场利用率更高的优点，从而使得相同磁场强度需求情况下，该直拉单晶超导线使用量更少，线圈质量更轻、电感和储能更小的前提下，引入超导闭环开关（PCS）及外部卸能电阻设计概念，避免由于意外情况导致磁体失超问题，以及失超后不能快速恢复磁体磁场，所引起的单晶生长质量问题。综上，该专利技术可以较好的解决磁控拉单晶实际生产过程中所无法避免的突发情况，导致磁体失超进而影响单晶生长质量的重要实现问题。本技术的优点具体如下：1）采用了马鞍形线圈结构，使得单位磁场强度情况下超导线使用量更少、因此磁体的电感及储能相对传统的磁控拉单晶磁体更小，便于失超保护。同时，增加外部卸能电阻R1，在磁体失超后，磁体部分储能将在室温端进行卸能，因此相对与传统磁体温度上升会低非常多，便于短时间采用G-M制冷机降低线圈的温度，恢复磁体的磁场，避免影响拉单晶的质量。2）在马鞍形线圈自身优点的基础上，引入超导闭环开关（PCS），避免意外断电情况下，导致磁体失超，同时PCS的引入，也可以降低传统磁体需要长时间电源维持磁场所带来的电能消耗问题，降低使用成本。3）引入磁场强度监测传感器，当监测值与需求值偏差超过设定值时，通过控制程序对马鞍形线圈进行加电充磁，消除长期运行时磁场衰减导致单晶质量的影响。附图说明图1是传导冷新型磁控拉单晶超导磁体总图。图2是本技术磁体装置内部的超导线圈保护电路。图中：1、铁轭外筒；2、真空外杜瓦；3、冷屏；4、线圈骨架；5、超导线圈；6、左右线圈连接板；7、G-M制冷机；8、导冷板；9、线圈冷体支撑杆；10、电流引线；11、超导闭环开关；12、磁场强度监测传感器；13、常温下卸能电阻；14、断路器；15、电源。具体实施方式下面结合附图和实施例对本技术的结构原理和工作原理作进一步详细说明。参见图1，一种传导冷却闭环马鞍形磁控拉单晶超导磁体装置，包括有铁轭外筒；铁轭外筒内设有真空外杜瓦；真空外杜瓦内设有冷屏；冷屏内设有线圈骨架；线圈骨架上设有超导线圈5；左右两个超导线圈5通过左右线圈连接装置相连；左右线圈连接装置上设有超导闭环开关11；超导闭环开关11通过电流引线与电源相连，超导闭环开关通过超导电流引线与超导线圈相连；超导闭环开关的前侧还设有导冷板；导冷板底部设有线圈冷体支撑杆；导冷板上部设有G-M制冷机。所述的线圈骨架上设有磁场强度监测传感器。所述的超导线圈采用马鞍形超导线圈。参见图2，所述的超导线圈有2个，2个超导线圈串联后与二极管D1、二极管D2、超导闭环开关、常温下卸能电阻并联；电源通过断路器与超导线圈串联；二极管D1与二极管D2正反相连；常温部分的断路器和电源采用常导体无氧铜导线连接，低温部分中的超导线圈、超导闭环开关、高温超导电流引线采用超导导线进行电气连接，二极管D1和二极管D2与超导线圈采用常导体无氧铜线连接。参见图1-2，一种新型的传导冷却磁控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种传导冷却闭环马鞍形磁控拉单晶超导磁体装置，包括有铁轭外筒（1）；铁轭外筒（1）内设有真空外杜瓦（2）；真空外杜瓦（2）内设有冷屏（3）；冷屏（3）内设有线圈骨架（4）；线圈骨架（4）上设有超导线圈（5）；其特征在于，左右两个超导线圈（5）通过左右线圈连接装置（6）相连；左右线圈连接装置（6）上设有超导闭环开关（11）；超导闭环开关（11）通过电流引线（10）与电源（15）相连，超导闭环开关通过超导电流引线（10）与超导线圈（5）相连；超导闭环开关（11）的前侧还设有导冷板（8）；导冷板（8）底部设有线圈冷体支撑杆（9）；导冷板（8）上部设有G-M制冷机（7）。/n

【技术特征摘要】
1.一种传导冷却闭环马鞍形磁控拉单晶超导磁体装置，包括有铁轭外筒（1）；铁轭外筒（1）内设有真空外杜瓦（2）；真空外杜瓦（2）内设有冷屏（3）；冷屏（3）内设有线圈骨架（4）；线圈骨架（4）上设有超导线圈（5）；其特征在于，左右两个超导线圈（5）通过左右线圈连接装置（6）相连；左右线圈连接装置（6）上设有超导闭环开关（11）；超导闭环开关（11）通过电流引线（10）与电源（15）相连，超导闭环开关通过超导电流引线（10）与超导线圈（5）相连；超导闭环开关（11）的前侧还设有导冷板（8）；导冷板（8）底部设有线圈冷体支撑杆（9）；导冷板（8）上部设有G-M制冷机（7）。


2.根据权利要求1所述的一种传导冷却闭环马鞍形磁控拉单晶超导磁体装置，其特征在于，所述的线圈骨架（4）上...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟，李超，马鹏，李勇，葛正福，兰贤辉，冯勇，刘向宏，张平祥，
申请(专利权)人：西部超导材料科技股份有限公司，
类型：新型
国别省市：陕西;61