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各种低温超导磁体应用案例
 无液氦可变温 X 射线磁体系统

 

专门为 X 射线衍射测量设计的传导冷却磁体,即无液氦磁体。该磁体系统有以下优点:

与传统的液氦冷却系统相比,该磁体系统尺寸更加紧凑,允许用户将自己的测角器安装到系统中;

可将一个可变温插件 (一般是 2 K 300 K) 集成到样品腔中;

允许样品在磁场中旋转; 

利用铍窗减少 X 射线的二次散射

下图中右图为 5 T 无液氦 X 射线衍射射磁体;左图为该应用了该磁体的系统图 

          

      

                                     

 

 

 无液氦可变温中子衍射超导磁体系统

 

 

左图为中子衍射磁体。

中子衍射磁体系统的特征:

在中子束的线路上除了样品外没有其他物质;

劈裂磁体中间的缝隙由一个高真空的孔径,磁场的方向可以是垂直的或者水平

  中子束的通道上无氦气;

可集成变温插件,温度范围通常是 2 K 300 K

并允许样品在磁场中旋转;

中子束穿过的通道通常由用薄铝或者 Mylar 制成的窗口提供。

 

 

 

 离子回旋共振超导磁体系统

 

适用于做离子回旋共振测量的超导磁体系统须有以下特征:

较高的磁场,且在包围整个离子阱的区域内有一个合适的磁场均

   匀度;

很高的时间稳定性以及较低的边缘磁场;

低损耗的实验杜瓦(一个月仅需要加一次液氦);

用离子回旋共振系统做离子捕获是 ICR 系统的高级应用,在这些实验中,测量可能会持续 30 天,这期间磁场必须保持恒定,因此要求离子回旋共振的磁体和杜瓦必须采用特殊的设计和制造技术,以保证实验所需要的时间高稳定性。右图为离子回旋共振磁体。

 

 

 

 应用于 STM 的超导磁体系统

 

描隧道显微镜(STM)被广泛的应用于工业和基础研究领域,以获得材料的原子尺度级别的表面形貌图像。它能够提供三维的样品表面轮廓,可以用于定标表面粗糙度,观察表面缺陷,确定表面分子或聚合体的尺寸及构造。基于超导磁体上的STM系统可应用于研究磁涡旋,纳米尺度的非均匀性,以及理解磁性和超导之间的相互作用。

链接部分的文献是发表在 Review of Scientific Instruments上用 AMI 公司的 STM 磁体系统得到的研究成果以及与该系统相关的信息:3He Refrigerator based Very Low Temperature STM

 

 

 

 绝热退磁制冷(ADR)专用超导磁体系统

 

绝热退磁制冷循环利用了顺磁材料(通常是一种盐)的原子磁矩和外部磁场之间的相互作用。

顺磁盐和热沉通过热开关联系在一起,增大磁场可以使得自旋平行,系统的熵值就会相应减小。

磁场达到最大值时,顺磁盐到热沉的热传导被阻断;当磁场降低时,温度也降低,因为自旋向其正常态弛豫。

在通常的绝热退磁系统中,4 K和 2 K 是基本温度,顺磁盐块能够达到约 300 mK。通常做绝热退磁应用的磁体都需要低电流设计,磁屏蔽部分也是非常重要的。

 

 

       核磁共振超导磁体系统      

 

核磁共振系统使用的比较广泛,因此比其他超导磁体系统更加完,其主要特征是:

 

非常高的磁场均匀度;

磁场强度的时间稳定性;

很长的低温保持时间,甚至它们被看做永久磁体。

 

NMR系统的测量灵敏度随着磁场强度的增加而增加。在过去的30多年里,NMR系统的磁场强度从5T增加到21.5T,达到了目前超导磁体能够达到的最高场

 

 

 

     用于生长单晶的磁体       

 

在生长高纯度以及高品质的半导体单晶方面,强磁场已经显示出其优越性。在晶片还在高温的真空炉中时对其施加一个磁场,通常磁场的强度为2T。这样的系统经常用于改进贵重材料的品质,如镓,砷和锗。磁场的操作参数也是可调节的。

 

 

磁流体动力学(MHD)和磁等离子体动力学系统

 

磁流体垂直磁场流过,产生的电磁力即垂直与磁场又垂直与磁流体的流动方向。电磁力可以用来产生电能或者转换成机械力。AMI生产的各种磁体系统能适用各种根据这个原理设计的实验。AMI已经成功地向军方和民用MHD研究提供了高性能的超导磁体。图中的劈裂磁体就专门用于MHD推进力研究系统。

 

         磁悬浮          

 

对于反磁性材料的磁悬浮,需要较高的磁场以及磁场梯度。反磁性材料在磁场中将受到排斥力。当这样的磁力于重力平衡时,反磁性材料将悬浮于梯度磁场中。通过这个技术产生的磁悬浮提供了一个理想的等价于微重力的环境。这个技术在微重力条件生长蛋白质单晶中也很有用处。图中显示的系统在1英寸的室温孔径中可以达到16T2/cm。对于稳定的悬浮最重要的设计特征是在径向的磁场必须随着离中心轴线距离的增加而增大。超导磁体相对高场电磁铁更具优势,因为它具有更好的时间稳定性以及没有振动。

 

 

  穆斯堡尔磁体系统

 

穆斯堡尔效应(核伽马射线共振)是基于这样一个原则:有时在一个固体矩阵中的一个原子核能够无反冲地发射或者吸收伽马射线,因为当它处于固体矩阵中时,它不再是孤立的,而是被固定在晶格中。在这种情况下,反冲能可能小于最低量子化晶格振动能。因此伴随着原子核的反冲伽马射线能在没有能量损失的情况下发射。由于原子核这样的自由反冲过程发生的概率依赖于核伽马射线的能量,穆斯堡尔效应被限制于一定的处于低激发态的同位素中。通常,对于低温下在晶格中受到强烈束缚的原子核,穆斯堡尔效应被优化于低能伽马射线。

一个穆斯堡尔实验包括一个放射源,这个放射源需要通过速度转换器(驱动马达)快速的前后移动。放射源发射的伽马射线穿过样品到达检测器,这样就能收集到分光计的数据。有时候需要把样品放置到高场中观察会发生什么效应。在穆斯堡尔谱学中,把放射源和吸收器离得越近越好。放射源(通常是同位素Fe57)在磁场中将激发较宽频带的信号,而在零场中发射的信号很窄。因此AMI公司设计的穆斯堡尔磁体都带一个补偿线圈,在样品之后的区域能迅速衰减磁场。这样就能够得到更灵敏的测量。

 

 

 

   粒子加速器系统     

在粒子加速器中,超导磁体用于对粒子束的容纳、转向以及聚焦。作为关键位置上的聚焦设备,也经常使用在实验系统中隧道的目标端。跑道形偶极或者四极磁体通常用于对粒子束的导向,因为他们沿着粒子飞行的路径上产生了一个长的磁场均匀区。AMI公司有能力生产高精度跑道形偶极或四极磁体(如图所示)。偶极磁体有两个拉伸了的线圈相对在一起。四极磁体有四个线圈,均匀分布在孔径的四周。四极磁体比偶极磁体提供了更高的磁场均匀度和磁场强度。在同样的尺寸下,这类磁体达到的磁场强度要低于同样材料绕制的螺线圈磁体。

 

 

     粒子捕获磁体系统     

 

用Maxwell pair作为轴向场的成分,结合超导螺线圈,就可以在磁场中捕获住粒子。用粒子捕获形成一个中心最小的磁场,两个垂直的跑道磁体对在Maxwell pair里面。磁场捕获磁体设计上的最大挑战是磁体内巨大的磁力。磁体框架通常需要用金属钛来制作。图中显示的是一个传导冷却(无液氦)的粒子捕获磁体。

     
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