[实用新型]用于产生最小B磁场的超导混合磁体装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种新的六极磁铁线包和螺旋管线包超导混合磁体结构，主要应用于产生高电荷态离子的电子回旋共振离子源的最小B磁场结构的超导磁体系统。 

背景技术

由数个螺旋管线包和六极磁铁组成的超导混合磁体是当今世界上高电荷态电子回旋共振离子源的核心组成部分。该超导混合磁体产生一个高磁场强度的最小B磁场结构以约束等离子体，电子沿着最小B磁场中的磁力线不断地来回旋转并在特定区域与馈入的高频微波发生共振吸收能量后，与离子和中性原子进行不断的碰撞电离，产生高电离态离子，经高电压形成的电场引出系统引出后产生高流强的离子束。电子回旋共振离子源的四十年发展历史证明，最小B磁场结构的磁场峰值和微波的工作频率越高，产生的等离子体密度就越高，离子源产生高电荷态离子束的性能就更好，即离子源能产生更高电荷态和更高的束流强度。现代的电子回旋共振离子源的磁场最高强度已由早期的0.5特斯拉增加到4特斯拉，微波工作频率也相应地由早期的5～6GHz增至28GHz。如今世界各先进国家的学者还在继续探索提高这种离子源的性能，以满足科研和工业技术发展的需求。最直接的方法是进一步提高磁场的场强和微波的频率。 

建造磁场强度达几个特斯拉以上最小B磁场结构，需要一个由若干个螺旋管线包和多极磁铁组成的超导混合磁体，然而在此种混合磁体中存在着巨大的Lorentz作用力。Lorentz力是与两电流强度的乘积成正比但又反比于两者的距离，也就是说，两电流各增加一倍而保持距离不变，Lorentz作用 力将是原来的四倍。如果线包间距很短，超导磁铁中高达1兆安/匝的电流线包间的Lorentz力(斥力和吸力)可轻易地达到数十吨甚至百吨量级。克服巨大的Lorentz斥力是建造这类超导混合磁体的最大技术挑战，因为这种力是把超导磁体中的线包相互推开。Lorentz吸力，虽然其强度和斥力大小相等，把磁体中的线包相互吸引，但磁铁线包的机械强度及线包的机械支撑较容易地克服此种吸力。当今高电荷态电子回旋共振离子源的最小B磁场结构的超导混合磁体通常是由三个螺旋管线包和一个六极磁铁构成。六极磁铁是由六个跑道型的线包组装而成(多体线包)，因此六极磁铁的两边都有三个跑道型线包的端部电流与螺旋管电流同向和反向，产生相当大的Lorentz吸力和斥力。在电流强度非常高而线包距离又很近的情况下，六极磁铁的电流端部与螺旋管的吸力和斥力可达到十吨或更高的量级，这正是现有的由数个螺旋管线包和六极磁铁组成的超导混合磁体的特性。如此强度的斥力使超导混合磁体必须采用非常强有力且复杂的机械结构以固定超导线包，确保其稳定性。如果固定不当，处于不稳定状态的超导混合磁体在激励时很容易移位而导致超导体失超。所以建造超导混合磁体要尽量降低磁体内的斥力。传统的解决办法是增加六极磁铁端部和螺旋管线包之间的轴向距离以降低斥力(但同时磁体的体积会大大地增加)和采用强有力复杂的机械固定系统。除此之外，六极磁铁的六个跑道型线包的相邻端部电流反向，对轴上磁场的贡献为零。 

当今高电荷态电子回旋共振离子源的最小B磁场结构的超导混合磁体是用NbTi超导线绕制而成，其工作电流强度已非常接近此种超导体所处外磁场的临界电流。现采用的超导混合磁体结构有两种。一种是最先采用的经典式结构：六极磁铁位于螺旋管内部且其端部大大地往两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个磁体的体积与非经典结构相比成培地增长，从而大幅度地增加了成本；另一种是非经典的磁体结构：六极磁铁位于螺旋管之外和其端部只是轴向地刚刚延伸过螺旋管。此结构利用“冷铁”结构降低抵消六极磁铁端部和螺旋管之间的斥力，但同时提供非 常强有力的简单机械夹固，使得整个磁体非常稳定。在达到同样的磁场强度，其体积约为经典结构的一半，当然其制造成本也随之降低。