專利名稱：一種用于磁控直拉單晶用MgB₂超導磁體的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于超導電工技術領域，涉及一種用于磁控直拉單晶用MgB2超導磁體。
背景技術：
目前，生產單晶硅的方法主要有直拉法、區(qū)熔法，直拉法生產的單晶硅占世界單晶硅總量的70%以上。進入超大規(guī)模集成電路時代以來，大直徑硅單晶一直是熱門的研發(fā)課題。但是，隨著晶體尺寸的增大，熔體的熱對流增強，氧和摻雜劑的分布均勻性大受影響。為了解決這些問題，逐步發(fā)展了磁場直拉單晶技術(MCZ)。通過在直拉法(CZ法)單晶生長的基礎上對坩堝內的熔體施加強磁場，使熔體的熱對流受到抑制。由于熔體硅具有導電性，在磁場的作用下，熔體的流動必然引起感生電流，于是產生洛倫茲力，在洛倫茲力的作用下，熔體內的熱對流得到抑制，晶體熔體界面處的氧、點缺陷及其它雜質也可得到控制。因此，為了獲得大尺寸、高質量的單晶硅，施加磁場是一個有效的方法。傳統(tǒng)的MCZ方法中的磁場裝置主要采用永磁材料(發(fā)明名稱:一種半導體級單晶硅生產工藝，申請?zhí)?01110199182.6，申請日2011年7月15日)、銅排等制作的磁體(發(fā)明名稱:大直徑單晶爐勾型電磁場裝置，申請?zhí)?01120137901.7，申請日2011年5月4日；發(fā)明名稱:單晶爐勾形磁場裝置，申請?zhí)?01020107968.1，申請日2010年2月4日)；近年來，隨著超導磁體技術的發(fā)展，一些企業(yè)開始采用液氦冷卻的超導磁體系統(tǒng)提供磁場。通常使用永磁體制作0.2T-0.5T的低場磁體，隨著永磁材料釹鐵硼中的稀土材料大幅漲價，低場永磁磁體的成本越來越高；使用常導銅制作的常導磁體磁場一般為0.2T，但其功率巨大，需要龐大的冷卻水系統(tǒng)；而投入使用的磁控單晶用超導磁體大部分屬于比較成熟的液氦浸泡的低溫超導磁體，采用低溫超導線材NbT1、Nb3Sn等液氦浸泡的方式制冷。但低溫超導磁體成本高，而且由于必須工作在液氦溫區(qū)(4.2K)，制冷和維護費用很高。隨著液氦資源的緊張，制冷技術的發(fā)展，傳導冷卻(conduction-cooled,也稱制冷機冷卻、無液氦、Cryogen-Free)超導磁體技術的研究正在逐步走向實用,這樣,采用傳導冷卻技術制造的磁拉單晶用MgB2超導磁體的制造成為了可能。由于超導材料可以實現無阻載流，更容易獲得更高的磁場強度。高溫超導磁體一般使用MgB2 (二硼化鎂)超導線、Bi (鉍)系(Bi2212、Bi2223)超導線或第二代Y (釔)系(YBCO涂層導體)超導線制造。其中，2001年發(fā)現的MgB2新型超導材料，其超導起始轉變溫度達到39K，該超導材料具有晶體結構簡單、相干長度長、加工制作簡單等很多優(yōu)點，使得該材料在很多方面的應用被看好。由于使用MgB2制作的超導磁體采用制冷機制冷、不使用液氦等昂貴的冷媒，液氮溫區(qū)即可使用，在磁控單晶領域具有巨大的潛在價值。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種用于磁控直拉單晶用MgB2超導磁體，解決了現有磁控直拉單晶用常導磁體系統(tǒng)復雜、功耗巨大、制冷成本高昂的問題。本發(fā)明所采用的技術方案是，一種用于磁控直拉單晶用MgB2超導磁體，包括低溫容器，制冷機安裝到所述低溫容器上。本發(fā)明的特征還在于，制冷機由制冷機一級冷頭、制冷機二級冷頭組成；低溫容器由外到內依次設置的外層低溫容器、防輻射冷屏、線圈容器組成，線圈容器內設置有MgB2超導繞組，其中，制冷機一級冷頭與防輻射冷屏相連，制冷機二級冷頭與MgB2超導繞組相連，二元電流引線由無氧銅線與超導部分連接而成，與室溫接觸一側采用無氧銅線，無氧銅線另一端與超導部分一端連接后安裝在制冷機一級冷頭處，二元電流引線的超導部分的另一端與MgB2超導繞組相連。低溫容器分為上下兩層，兩組MgB2超導繞組分別設置在低溫容器的兩層中，兩層之間通過繞組杜瓦支撐體支撐；線圈容器設置兩個，兩個線圈容器分別設置在低溫容器分為上下兩層相對安裝，線圈容器通過線圈容器支撐架固定支撐在防輻射冷屏內。線圈容器表面設置低溫預冷流體容器，低溫預冷流體容器采用液氮或液氖作為預冷卻介質。低溫容器中間設置有單晶爐安裝孔。制冷機二級冷頭與MgB2超導繞組通過導冷銅編織帶相連。線圈容器與MgB2超導繞組采用螺栓固定。MgB2超導繞組采用MgB2超導線帶材繞制，采用懸掛支撐結構進行連接。MgB2超導繞組采用螺線管方式繞制或采用雙餅線圈形式繞制。防輻射冷屏內外表面粘貼多層鍍鋁的PET薄膜。本發(fā)明制作的磁控直拉單晶用高溫超導磁體具有磁場強度高、制作成本低、系統(tǒng)簡單、功耗小、操作容易等優(yōu)點，由于硅熔體的熱對流得到有效抑制，能使拉出的單晶硅具有更高的純度和均勻性，晶體熔體界面處的氧、點缺陷及其它雜質得到了有效控制。


圖1是本發(fā)明一種實施例的結構示意圖。圖2是本發(fā)明另一種實施例的結構示意圖。圖3是圖1的頂視圖。圖中，1.制冷機、2.外層低溫容器、3.防輻射冷屏、4.線圈容器、5.MgB2超導繞組、
6.導冷銅編織帶、7.線圈容器支撐架、8.制冷機一級冷頭、9.制冷機二級冷頭、10.繞組杜瓦支撐體、11.二元電流引線、12.低溫預冷流體容器、15.單晶爐安裝孔。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細說明。一種用于磁控直拉單晶用MgB2超導磁體的結構如圖1所示，制冷機I安裝到低溫容器上，其中，制冷機I由制冷機一級冷頭8、制冷機二級冷頭9組成；低溫容器由外到內依次設置的外層低溫容器2、防輻射冷屏3、線圈容器4組成。線圈容器4內設置有MgB2超導繞組5。低溫容器中間設置有單晶爐安裝孔15。
其中，制冷機一級冷頭8與防輻射冷屏3相連，制冷機二級冷頭9與MgB2超導繞組5通過導冷銅編織帶6相連。制冷機二級冷頭9與MgB2超導繞組5相連，用來給MgB2超導繞組5的磁體線圈降溫，達到所使用的高溫超導材料臨界溫度以下并維持其低溫環(huán)境；制冷機一級冷頭8與低溫容器的防輻射冷屏3相連，維持低溫容器的低溫環(huán)境。低溫容器其結構分為三層。最外層為外層低溫容器2，以維持整個系統(tǒng)的真空狀態(tài)；中層為防輻射冷屏3，用來遮擋輻射熱量；內層為線圈容器4，用來安裝1%82超導繞組5。其中外層低溫容器2采用不銹鋼焊接而成，保持真空狀態(tài)，降低空氣的傳導熱；防輻射冷屏3采用銅或鋁制成，用來遮擋輻射漏熱，防輻射冷屏3內外表面粘貼多層鍍鋁的PET薄膜，以達到降低漏熱的效果。線圈容器4安裝在防輻射冷屏3內部，MgB2超導繞組5安裝在線圈容器4內部。線圈容器4與MgB2超導繞組5采用螺栓固定。線圈容器4有兩種形式，第一種為非真空形式，如圖1中線圈容器4所示，完全由制冷機I完成線圈的冷卻過程。第二種形式為真空容器形式，如圖2所示，即在線圈容器4表面設置低溫預冷流體容器12，低溫預冷流體容器12采用液氮或液氖作為預冷卻介質。兩種形式都需要線圈容器4具有良好的導熱能力，采用銅或鋁制作。該種磁控直拉單晶用超導磁體需兩個線圈容器4相對安裝。線圈容器4采用線圈容器支撐架7進行固定支撐在防輻射冷屏3內。MgB2超導繞組5為產生磁場的部件，采用MgB2超導線帶材繞制，設置在低溫容器內部第三層的線圈容器4內，采用懸掛支撐結構進行連接。MgB2超導繞組5有兩種形式。第一種采用螺線管方式繞制；第二種采用雙餅線圈形式繞制，最終組合成1882超導繞組5。繞組的工作溫度高于使用的超導材料的臨界溫度。二元電流引線11由無氧銅線與超導部分連接而成。與室溫接觸一側采用無氧銅線，無氧銅線另一端與超導部分一端連接后安裝在制冷機一級冷頭8處進行降溫，二元電流引線11的超導部分的另一端與MgB2超導繞組5相連。二元電流引線11主要作用是將電源電流弓I入MgB2超導繞組5中。低溫容器分為上下兩層，兩組MgB2超導繞組5分別設置在低溫容器的兩層中，兩層之間通過繞組杜瓦支撐體10支撐，繞組杜瓦支撐體10采用非磁性材料制作，以消除磁體工作時兩組繞組間的電磁力。單晶爐安裝孔15直徑為1300mm，適用于直徑為300mm直拉單晶爐使用，磁體總高度為 11 SOmnin直拉單晶(CZ法)一般分為裝料、熔料、熔接、細頸、放肩、轉肩、等徑生長和收尾等階段。本發(fā)明提供的一種用于磁控直拉單晶用MgB2超導磁體，主要在熔料、熔接、細頸、放肩、轉肩、等徑生長和收尾階段應用。采用螺線管方式繞制完成MgB2超導繞組5，將MgB2超導繞組5安裝在低溫容器內部第三層的線圈容器4內，線圈容器4與MgB2超導繞組5采用螺栓固定，將線圈容器4安裝在防輻射冷屏3內部，防輻射冷屏3安裝在外層低溫容器2內，采用線圈容器支撐架7進行連接。將制冷機I安裝到外層低溫容器2上，制冷機一級冷頭8與防輻射冷屏3相連，制冷機二級冷頭9與MgB2超導繞組5通過導冷銅編織帶6相連，用來給MgB2超導繞組5的磁體線圈降溫。將二元電流引線11無氧銅線一端安裝在制冷機一級冷頭8處，二元電流引線11的超導部分的另一端與MgB2超導繞組5相連。同樣的，完成上下兩層的低溫容器安裝。兩組MgB2超導繞組5分別設置在低溫容器的兩層中，兩層之間通過繞組杜瓦支撐體10支撐，以消除磁體工作時兩組繞組間的電磁力。在拉晶前首先對磁體進行抽真空，真空度達到10_4以上即可打開制冷機1，對磁體進行降溫；對于帶有液氮預冷類型的繞組，對繞組進行液氮預冷。整個降溫時間大致需要90小時；當溫度達到20K以下時，打開磁體勵磁電源，對二元電流引線11進行加電，此時磁體即產生磁場。磁場強度大小根據拉晶工藝自行設定。采用本實施例制作的高溫超導磁體實施例與常規(guī)磁體相比，具有更低的能耗，能夠有效抑制硅熔體內的熱對流，對單晶硅的品質提高效果明顯。使用該種磁場下拉制的單晶硅具有更高的電阻率和更長的少子壽命，其電阻率可達400 Ω.cm，用光電導衰減法測得少數載流子壽命高達10000 μ S。同時，磁場拉晶的拉速與未加磁場相比可以提高10%以上，
大大提1 了拉晶生廣效率 。
權利要求
1.一種用于磁控直拉單晶用MgB2超導磁體，其特征在于，包括低溫容器，制冷機(I)安裝到所述低溫容器上。
2.根據權利要求1所述的用于磁控直拉單晶用MgB2超導磁體，其特征在于，所述制冷機(I)由制冷機一級冷頭(8)、制冷機二級冷頭(9)組成； 所述低溫容器由外到內依次設置的外層低溫容器(2)、防輻射冷屏(3)、線圈容器(4)組成，所述線圈容器(4)內設置有MgB2超導繞組(5)， 其中，所述制冷機一級冷頭(8)與防輻射冷屏(3)相連，所述制冷機二級冷頭(9)與MgB2超導繞組(5)相連， 二元電流引線(11)由無氧銅線與超導部分連接而成，與室溫接觸一側采用無氧銅線，無氧銅線另一端與超導部分一端連接后安裝在制冷機一級冷頭(8)處，二元電流引線(11)的超導部分的另一端與所述MgB2超導繞組(5)相連。
3.根據權利要求2所述的用于磁控直拉單晶用MgB2超導磁體，其特征在于，所述低溫容器分為上下兩層，兩組1882超導繞組(5)分別設置在低溫容器的兩層中，兩層之間通過繞組杜瓦支撐體(10)支撐；所述線圈容器(4)設置兩個，兩個線圈容器(4)分別設置在低溫容器分為上下兩層相對安裝，所述線圈容器(4)通過線圈容器支撐架(7)固定支撐在防輻射冷屏(3)內。
4.根據權利要求2所述的用于磁控直拉單晶用MgB2超導磁體，其特征在于，所述線圈容器(4)表面設置低溫預冷流體容器(12)，低溫預冷流體容器(12)采用液氮或液氖作為預冷卻介質。
5.根據權利要求2所述的用于磁控直拉單晶用MgB2超導磁體，其特征在于，所述低溫容器中間設置有單晶爐安裝孔(15)。
6.根據權利要求2所述的用于磁控直拉單晶用MgB2超導磁體，其特征在于，所述制冷機二級冷頭(9)與MgB2超導繞組(5)通過導冷銅編織帶(6)相連。
7.根據權利要求2所述的用于磁控直拉單晶用MgB2超導磁體，其特征在于，所述線圈容器(4)與MgB2超導繞組(5)采用螺栓固定。
8.根據權利要求2所述的用于磁控直拉單晶用MgB2超導磁體，其特征在于，所述MgB2超導繞組(5)采用MgB2超導線帶材繞制，采用懸掛支撐結構進行連接。
9.根據權利要求2所述的用于磁控直拉單晶用MgB2超導磁體，其特征在于，所述MgB2超導繞組(5 )采用螺線管方式繞制或采用雙餅線圈形式繞制。
10.根據權利要求2所述的用于磁控直拉單晶用MgB2超導磁體，其特征在于，所述防輻射冷屏(3)內外表面粘貼多層鍍鋁的PET薄膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于磁控直拉單晶用MgB2超導磁體，包括低溫容器，制冷機安裝到所述低溫容器上。本發(fā)明制作的磁控直拉單晶用高溫超導磁體具有磁場強度高、制作成本低、系統(tǒng)簡單、功耗小、操作容易等優(yōu)點，由于硅熔體的熱對流得到有效抑制，能使拉出的單晶硅具有更高的純度和均勻性，晶體熔體界面處的氧、點缺陷及其它雜質得到了有效控制。
文檔編號H01F6/04GK103106994SQ201310034330
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月29日 優(yōu)先權日2013年1月29日
發(fā)明者李超, 閆果, 梁書錦, 熊小偉, 葛正福, 劉向宏, 馮勇, 張平祥 申請人:西部超導材料科技股份有限公司