СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВОЙ МАГНИТНОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2025 года по МПК H01F6/06 H01F41/02 H01F27/28 H01L25/00 

Изобретение относится к технической физике, а именно к способам изготовления сверхпроводниковых магнитных систем с высокой однородностью магнитного поля, например, для спектрометров электронного парамагнитного (ЭПР) и ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Известен способ изготовления сверхпроводникового соленоида (Кн. Д. Монтгомери. Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов. Изд-во Мир, Москва, 1971 г.), при котором наматывают обмотку соленоида из сверхпроводникового провода до заданного диаметра, устанавливают сверху каркас и формируют корректирующий элемент в виде наружного паза. Размеры наружного паза выбирают из условия сокращения первых двух четных членов разложения магнитного поля соленоида в степенной ряд по полиномам Лежандра, что позволяет сократить градиенты магнитного поля d²H/dz² и d⁴H/dz⁴ и повысить его однородность.

Данный способ изготовления сверхпроводникового соленоида не позволяет достичь необходимой однородности магнитного поля за счет ошибок, допущенных при изготовлении обмотки, действия термомеханических усилий при ее охлаждении от комнатной температуры до температуры сжиженного гелия 4,2 К, действия электромагнитных сил на витки с током в магнитном поле, влияния поля намагниченности сверхпроводниковой обмотки.

Также известен способ изготовления сверхпроводниковой магнитной системы, позволяющий улучшить исходную однородность магнитного поля (В.В. Пермяков, Н.В. Таряник, И.Г. Гавриш, В.П. Демчук. Сб. Вопросы атомной науки и техники. Серия: общая и ядерная физика. Вып. 3(13), Харьков, ХФТИ АН УССР, 1980, с. 55-58). Способ заключается в изготовлении обмотки сверхпроводникового соленоида с внутренним корректирующим пазом и размещении в нем трех дополнительных корректирующих обмоток. Две крайние встречно включенные дополнительные обмотки служат для компенсации линейного градиента магнитного поля dH/dz, а третья средняя - для компенсации квадратичного градиента поля d²H/dz² соленоида, которые появляются в распределении магнитного поля вследствие неточности изготовления обмотки, изменении размеров обмотки при ее охлаждении до температуры жидкого гелия 4,2 К, действия растягивающих электромагнитных сил, влияния поля намагниченности сверхпроводниковой обмотки.

Недостатком известного способа изготовления сверхпроводниковой магнитной системы является сложность процесса настройки однородности магнитного поля, который заключается в необходимости определения величины и направления тока в дополнительных обмотках, обеспечивающих компенсацию осевых градиентов магнитного поля соленоида dH/dz и d²H/dz². Компенсация радиальных градиентов магнитного поля соленоида таких, как dH/dR и d²H/dRdz в данном способе не предусмотрена, вследствие чего однородность поля в объеме образца невысокая, в этой связи данная сверхпроводниковая магнитная система не может быть использована в спектрометрах ЭПР и ЯМР, в которых однородность магнитного поля должна составлять ≈ 10^-6 отн. ед. см^-3. К недостаткам известного способа также относятся длительность процесса настройки высокой однородности поля, и усложнение магнитной системы за счет необходимости использования дополнительных источников питания обмоток компенсации градиентов магнитного поля.

Наиболее близким к заявляемому является способ изготовления сверхпроводниковой магнитной системы, описанный в статье: Д.О. Федюк, Д.В. Варюхин, Л.Н. Прокофьева, Н.В. Таряник. - Физика и техника высоких давлений, 2019, том 29, N1,

с. 121-126. Согласно этому способу изготавливают обмотку соленоида и дополнительные обмотки компенсации осевых dH/dz, d²H/dz² и компонентов радиальных dH/dx, dH/dy, d²H/dxdz, d²H/dydz градиентов магнитного поля, устанавливают обмотки компенсации в соленоиде, вводят ток в соленоид от основного источника питания и замыкают его сверхпроводниковым ключом, затем вводят ток в обмотки компенсации градиентов магнитного поля от дополнительных источников питания необходимой величины и направления, настраивают каждую обмотку на компенсацию соответствующего градиента поля соленоида для достижения заданной однородности магнитного поля, после чего замыкают обмотки компенсации ключами.

К недостаткам данного способа изготовления сверхпроводниковой магнитной системы относятся сложность и длительность процесса настройки высокой однородности магнитного поля соленоида за счет необходимости определения оптимальной величины и направления токов в обмотках компенсации осевых и компонентов радиальных градиентов поля. Кроме того, согласно этому способу изготовления магнитной системы, используют вдвое больше обмоток компенсации радиальных градиентов поля, чем количество самих радиальных градиентов поля. Так, для компенсации линейного радиального градиента поля dH/dR используют две обмотки компенсации его компонентов dH/dx и dH/dy, а для компенсации квадратичного радиального градиента поля d²H/dRdz используют две обмотки компенсации его компонентов d²H/dxdz и d²H/dydz. Причиной этого является то обстоятельство, что в отличие от осевых градиентов поля, которые направлены вдоль оси Z соленоида, направление радиальных градиентов поля dH/dR и d²H/dRdz в соленоиде не известно. Экспериментально определить направление радиальных градиентов поля соленоида при температуре жидкого гелия очень сложно, или невозможно. Кроме того, к недостаткам известного способа относится усложнение магнитной системы и процесса настройки высокой однородности магнитного поля за счет использования дополнительных источников питания обмоток компенсации градиентов поля и их сверхпроводниковых ключей, а также токовводов в криостат для их питания. Количество дополнительных источников питания может достигать числа обмоток компенсации градиентов магнитного поля. При последующих экспериментах с магнитной системой необходимо каждый раз настраивать высокую однородность магнитного поля, что ведет к дополнительным затратам жидкого гелия.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствование способа изготовления сверхпроводниковой магнитной системы, в котором за счет предварительного тестирования магнитного поля соленоида на стадии его изготовления, обеспечивается высокая однородность магнитного поля и упрощается процесс настройки однородности и эксплуатации магнитной системы.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе изготовления сверхпроводниковой магнитной системы, при котором изготавливают соленоид и устанавливают в нем обмотки компенсации осевых, вдоль оси симметрии Z и компонентов градиентов поля вдоль осей X и Y прямоугольной системы в радиальных направлениях соленоида, вводят ток от источника питания в соленоид и обмотки компенсации и замыкают их сверхпроводниковым ключом. Новым является то, что на стадии изготовления магнитной системы сначала производят тестирование магнитного поля соленоида, для чего устанавливают тестовые обмотки компенсации осевых градиентов поля и компонентов градиентов поля вдоль радиальных направлений соленоида. Вводят ток в соленоид и замыкают его сверхпроводниковым ключом. Вводят ток в каждую тестовую обмотку от дополнительных источников питания и настраивают обмотки на компенсацию соответствующих градиентов поля соленоида до достижения заданной однородности. Фиксируют величину тока в каждой тестовой обмотке и, по полученным значениям, определяют величины токов и направление градиентов поля. Вычисляют геометрические размеры и число витков в обмотках компенсации осевых и радиальных градиентов поля при условии, что ток в обмотках компенсации равен току соленоида. По результатам тестирования изготавливают обмотки компенсации и устанавливают в соленоиде, соединяют их последовательно между собой и с соленоидом. Вводят ток от одного источника питания и замыкают систему общим сверхпроводниковым ключом.

Тестирование магнитного поля соленоида с помощью тестовых обмоток компенсации компонентов радиальных градиентов поля dH/dx и dH/dy позволяет определить величину и направления радиального градиента поля dH/dR соленоида, а по результатам тестирования магнитного поля с помощью обмоток компенсации компонентов градиентов поля d²H/dxdz и d²H/dydz определить величину и направления радиального квадратичного градиента поля d²H/dRdz соленоида.

Предварительное тестирование магнитного поля соленоида позволяет сократить количество обмоток компенсации радиальных градиентов поля вдвое. Так, если по известному способу изготовления сверхпроводниковой магнитной системы (прототип) для компенсации радиального градиента поля dH/dR использовали две обмотки компенсации его компонентов dH/dx и dH/dy, то в предлагаемом способе - одну обмотку компенсации самого градиента поля dH/dR. Аналогично, для компенсации радиального градиента поля d²H/dRdz использовали две обмотки компенсации компонентов этого градиента поля d²H/dxdz и d²H/dydz.

Определение по результатам тестирования магнитного поля соленоида геометрических размеров и числа витков рабочих обмоток компенсации градиентов поля при условии, что ток в этих обмотках будет равен току соленоида, изготовление и соединение обмоток компенсации последовательно с соленоидом позволяет одновременно производить запитывание соленоида и обмоток компенсации градиентов поля одним током от одного источника питания. Это упрощает процесс и сокращает время настройки высокой однородности магнитного поля практически до нуля в силу того, что процесс настройки однородности поля происходит одновременно с вводом тока в соленоид.

Отсутствие дополнительных источников питания обмоток компенсации и токовводов в криостат для ввода в них тока снижает стоимость сверхпроводниковой магнитной системы. Повышается экономичность при эксплуатации за счет уменьшения затрат жидкого гелия в связи с тем, что настройка высокой однородности поля осуществляется автоматически и одновременно с вводом тока в соленоид.

Расчет сверхпроводящего соленоида производят из условия создания однородного магнитного поля, для чего в его обмотке выполняют корректирующий элемент, например, наружный паз. Размеры паза выбирают из условия компенсации двух первых четных членов разложения магнитного поля в степенной ряд по полиномам Лежандра (Кн. Д. Монтгомери. Получение сильных магнитных полей с помощью соленоидов. Изд-во Мир, Москва, 1971 г.).

Тестовые обмотки компенсации градиентов магнитного поля выполняют в соответствии с работой: В.Б. Назаров, В.А. Забродин, И.С. Краинский, Л.И. Гальперин. - ПТЭ, N5, с. 208-210.

Для проведения тестирования исходного магнитного поля соленоида используют тестовые обмотки компенсации осевых dH/dz, dH²/dz² и, например, компонентов радиальных dH/dx, dH/dy, d²H/dxdz и d²H/dydz градиентов магнитного поля. Тестовые обмотки - это заранее рассчитанные и изготовленные обмотки компенсации с известными геометрическими размерами, числом витков и величинами создаваемых ими градиентов магнитного поля, например, на длине 1 см при токе 1 А. При тестировании магнитного поля соленоида с помощью тестовых обмоток необходимо определить только величину тока в ней. Так, если тестовая обмотка создает градиент поля величиной 1 эрстед/см при токе 1 А и компенсирует соответствующий градиент поля соленоида при токе 3 А, то величина этого градиента поля соленоида равна 3 эрстед/см.

Тестовая обмотка компенсации осевого градиента поля dH/dz выполнена в виде двух одинаковых и встречно включенных цилиндрических катушек, а модернизированная тестовая обмотка осевого градиента d²H/dz² - в виде двух пар последовательно соединенных цилиндрических катушек, при этом катушки средней пары включены встречно катушкам крайней пары. Тестовые обмотки компенсации компонентов радиальных градиентов поля dH/dx и dH/dy одинаковые и выполнены в виде четырех одинаковых последовательно соединенных седловидных катушек. Тестовые обмотки компенсации компонентов радиальных градиентов поля d²H/dxdz и d²H/dydz выполнены в виде двух одинаковых последовательно соединенных седловидных катушек. Обмотки компенсации компонент градиентов поля dH/dx и d²H/dxdz установлены вдоль условной оси X радиального направления соленоида, а обмотки компенсации компонент градиентов поля dH/dy и d²H/dydz - вдоль условно выбранной оси Y прямоугольной системы координат.

Тестирование магнитного поля сверхпроводникового соленоида производят следующим образом.

После изготовления соленоида в нем устанавливают сверхпроводниковые тестовые обмотки компенсации осевых dH/dz, d²H/dz² и компонентов радиальных dH/dx, dH/dy, d²H/dxdz и d²H/dydz градиентов магнитного поля. Магнитную систему размещают в гелиевом криостате, который заполняют жидким гелием. В соленоид вводят ток и возбуждают заданное значение магнитного поля. Для обеспечения высокой стабильности поля выводы соленоида замыкают сверхпроводниковым ключом. Магнитометром ядерного магнитного резонанса (ЯМР) измеряют абсолютную величину магнитного поля, а по ширине сигнала ЯМР определяют исходную однородность поля соленоида. Затем от дополнительных источников питания по дополнительным токовводам, установленным в криостате, поочередно вводят токи в тестовые обмотки компенсации осевых градиентов поля dH/dz и d²H/dz², компенсируют соответствующие градиенты поля соленоида и повышают однородность магнитного поля. Определяют оптимальные токи и их направление в этих обмотках, при которых достигается наивысшая однородность поля соленоида. Улучшение однородности магнитного поля контролируют по уменьшению ширины сигнала ЯМР. По величине и направлению токов в тестовых обмотках компенсации вычисляют величину и направление градиентов магнитного поля dH/dz и d²H/dz² соленоида.

Затем от дополнительных источников питания вводят токи в тестовые обмотки компенсации компонентов радиальных градиентов dH/dx и dH/dy. Определяют оптимальный ток I_x и его направление в обмотке компенсации компоненты dH/dx, а также ток I_y и его направление в обмотке компенсации компоненты dH/dy радиального градиента поля dH/dR. Зная токи I_x и I_y, вычисляют ток I_R в обмотке компенсации радиального градиента поля dH/dR как диагональ прямоугольника со сторонами I_x и I_y, а по величине тока I_R вычисляют градиент магнитного поля соленоида dH/dR.

Полярный угол ϕ₁, под которым, например, по отношению к оси X направлен радиальный градиент поля dH/dR и в дальнейшем будет ориентирована и установлена (рабочая) обмотка компенсации этого градиента поля, вычисляют по формуле:

Аналогично вводят токи в тестовые обмотки компенсации компонентов радиальных градиентов d²H/dxdz и d²H/dydz, компенсируют соответствующие компоненты градиентов поля соленоида и повышают однородность поля последнего до более высокого уровня. Определяют оптимальные токи I_xz и I_yz и их направление в этих обмотках, вычисляют ток I_RZ в обмотке радиального градиента поля d²H/dRdz, а по значению этого тока вычисляют градиент магнитного поля соленоида d²H/dRdz. Угол ϕ₂, под которым этот градиент поля направлен по отношению к оси X и будет сориентирована, и установлена (рабочая) обмотка компенсации этого градиента поля, вычисляют аналогично по формуле (1).

Отметим, что на заключительном этапе настройки высокой однородности магнитного поля соленоида с помощью тестовых обмоток компенсации градиентов поля уточняют оптимальные значения токов в каждой обмотке, одновременно работая со всеми обмотками, изменяя ток в пределах 5-10%. Окончательная настройка однородности магнитного поля соленоида обусловлена тем, что при достижении однородности поля на уровне ~ 10^-6 отн. ед. см^-3 и выше все градиенты поля соленоида, как правило, одинаковы по абсолютной величине, поэтому приходится в несколько круговых циклов уточнять значения оптимальных токов в тестовых обмотках.

После определения величины и направления осевых dH/dz, d²H/dz² и радиальных dH/dR, d²H/dRdz градиентов магнитного поля соленоида вычисляют геометрические размеры и число витков в (рабочих) обмотках компенсации этих градиентов поля при условии, что они будут последовательно соединены с соленоидом и одновременно с ним запитываться одним током от одного источника питания.

Число витков в рабочих обмотках компенсации градиентов поля вычисляют из условия сохранения количества ампер - витков для каждой обмотки:

где N₁ и N₂ - число витков в тестовых и (рабочих) обмотках компенсации, I₁ и I₂ соответственно токи в этих обмотках. С учетом того, что ток I₂ в (рабочих) обмотках компенсации градиентов поля равен току соленоида и больше тока тестовых обмотках, то число витков в (рабочих) обмотках будет меньше числа витков в тестовых обмотках.

Изготавливают (рабочие) обмотки компенсации градиентов магнитного поля, устанавливают в соленоиде и соединяют последовательно с ним. К выводам (началу и концу) образованной таким образом сверхпроводниковой магнитной системы подключают сверхпроводниковый ключ.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

После заполнения криостата жидким гелием, в котором установлена магнитная система, размыкают сверхпроводниковый ключ и в последовательно соединенные соленоид и обмотки компенсации осевых dH/dz, d²H/dz² и радиальных dH/dR, d²H/dRdz градиентов поля вводят один и тот же ток от одного источника питания и возбуждают заданное значение магнитного поля. Замыкают ключ, а магнитную систему переводят в режим «замороженного» тока с высокой однородностью и стабильностью поля. Так как обмотки компенсации градиентов магнитного поля соединены последовательно с соленоидом, то при вводе тока в соленоид одновременно вводится такой же ток и в обмотки компенсации, создающие осевые dH/dz, d²H/dz² и радиальные dH/dR, d²H/dRdz градиенты магнитного поля, которые компенсируют соответствующие градиенты магнитного поля соленоида. Однородность магнитного поля соленоида повышается, например, с начального уровня ~10^-4 до конечного ~ 10^-6 отн. ед. см^-3.

Конкретный пример исполнения.

Предложенный способ был опробован при изготовлении сверхпроводниковой магнитной системы с однородным магнитным полем для радиоспектрометра ЭПР, чем доказана его промышленная применимость. Магнитная система состояла из трех секционного соленоида, обмоток компенсации осевых и радиальных градиентов поля и обмотки развертки поля. Соленоид позволял возбуждать магнитное поле с индукцией до 7 Т и имел следующие размеры: диаметр внутреннего отверстия 105,4 мм, наружный диаметр 172,5 мм и длина 300 мм. Для повышения однородности поля в третьей секции соленоида выполняли наружный корректирующий паз.

Для тестирования исходного магнитного поля соленоида использовали тестовые обмотки компенсации осевых dH/dz, d²H/dz² и компонент радиальных dH/dx, dH/dy градиентов поля, которые изготовлены из сверхпроводникового провода диаметром 0,33 мм сплава НТ-50. Две цилиндрические катушки обмотки компенсации градиента поля dH/dz были намотаны в два слоя и содержали по 100 витков. Обмотка компенсации градиента поля d²H/dz² состояла из двух пар цилиндрических катушек, при этом число витков в каждой катушке средней пары равно 70, а в катушках крайней пары - по 140. Седлообразные катушки обмоток компенсации dH/dx и dH/dy содержали по 25 витков. Тестирование магнитного поля соленоида выполнялось в магнитном поле 5 Т при токе в соленоиде 70 А. Исходная однородность магнитного поля соленоида, измеренная тесламетром ЯМР (Глущенко А.А., Лаптиенко А.Я., Карагай Н.Н., Курочкин В.И. Измерительная техника, 1984, N6, с. 56) составила ≈ 2⋅10^-4 отн. ед. см^-3. Оптимальные токи в тестовых обмотках компенсации градиентов поля, при которых была достигнута однородность поля соленоида на уровне 3,5⋅10^-6 отн. ед. см^-3, составили: 15 А в обмотке компенсации dH/dz, 12 А в обмотке компенсации d²H/dz², 8,5 А обмотке компенсации dH/dx и 6,7 А в обмотке компенсации dH/dy. Ток в обмотке радиального градиента поля dH/dR, который вычислялся как диагональ прямоугольника со сторонами 8,5 А и 6,7 А, составил 11,2 А. Угол ϕ_; под которым направлен градиент поля dH/dR по отношению к направлению градиента поля dH/dx (условная ось X), составил ≈ 38°. Число витков в рабочих обмотках компенсации градиентов поля, рассчитанных по формуле (2), равно: в катушках обмотки dH/dz - по 21, в катушках обмотки d²H/dz² - 12 и 24, в обмотке dH/dR - 4 витка. Однородность магнитного поля соленоида с последовательно соединенными (рабочими) обмотками компенсации градиентов поля составила ≈ 4⋅10^-6 отн. ед. см^-3.

На основании изложенного можно заключить, что предложенный авторами способ обеспечивает получение высокооднородного магнитного поля и упрощает процесс настройки и эксплуатации сверхпроводниковой магнитной системы. Следует подчеркнуть, что при вводе тока в сверхпроводниковую магнитную систему осуществляется автоматическая компенсация осевых и радиальных градиентов магнитного поля соленоида и настройка высокой однородности.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат заключается в обеспечении высокой однородности магнитного поля и упрощении процесса настройки и эксплуатации магнитной системы. Способ изготовления сверхпроводниковой магнитной системы заключается в изготовлении сверхпроводникового соленоида и установке в нем обмоток компенсации осевых, вдоль оси симметрии Z и компонентов градиентов поля вдоль осей X и Y прямоугольной системы в радиальных направлениях соленоида. На стадии изготовления магнитной системы сначала производят тестирование магнитного поля соленоида, для чего устанавливают тестовые обмотки компенсации осевых градиентов поля и компонентов градиентов поля вдоль радиальных направлений соленоида. Вводят ток в соленоид и замыкают его сверхпроводниковым ключом. Вводят ток в каждую тестовую обмотку от дополнительных источников питания и настраивают обмотки на компенсацию соответствующих градиентов поля соленоида до достижения заданной однородности. Фиксируют величину тока в каждой тестовой обмотке и по полученным значениям определяют величины токов и направление градиентов поля. Вычисляют геометрические размеры и число витков в обмотках компенсации осевых и радиальных градиентов поля при условии, что ток в обмотках компенсации равен току соленоида. По результатам тестирования изготавливают обмотки компенсации и устанавливают в соленоиде, соединяют их последовательно между собой и с соленоидом. Вводят ток от одного источника питания и замыкают систему общим сверхпроводниковым ключом.

Способ изготовления сверхпроводниковой магнитной системы, при котором изготавливают соленоид и устанавливают в нем обмотки компенсации осевых вдоль оси симметрии Z и радиальных компонентов градиентов поля вдоль осей X и Y прямоугольной системы в радиальных направлениях соленоида, вводят ток от источника питания в соленоид и обмотки компенсации и замыкают их сверхпроводниковым ключом, отличающийся тем, что на стадии изготовления магнитной системы сначала производят тестирование магнитного поля соленоида, для чего устанавливают тестовые обмотки компенсации осевых градиентов поля и компонентов градиентов поля вдоль радиальных направлений соленоида, вводят ток в соленоид и замыкают его сверхпроводниковым ключом, вводят ток в каждую тестовую обмотку от дополнительных источников питания, настраивают обмотки на компенсацию соответствующих градиентов поля соленоида до достижения заданной однородности, фиксируют величину тока в каждой тестовой обмотке и по полученным значениям определяют величины токов и направление градиентов поля, вычисляют геометрические размеры и число витков в обмотках компенсации осевых и радиальных градиентов поля при условии, что ток в обмотках компенсации равен току соленоида, по результатам тестирования изготавливают обмотки компенсации и устанавливают в соленоиде, соединяют их последовательно между собой и с соленоидом, вводят ток от одного источника питания и замыкают систему общим сверхпроводниковым ключом.