[液位,磁体,低温]超导磁体低温液位监测单元的设计与实现
超导磁悬浮实验报告
超导磁悬浮实验报告本实验旨在通过超导磁悬浮技术，研究超导体在低温下的磁性特性，并探索其在磁悬浮领域的应用潜力。
在实验中，我们使用了液氮冷却系统，将超导体冷却至临界温度以下，观察其在外加磁场下的悬浮效应，同时测量其磁化曲线和临界电流等参数，以期获得有关超导体磁悬浮性能的实验数据。
首先，我们准备了液氮冷却系统和超导体样品，并将超导体样品置于液氮中进行冷却。
随着温度的逐渐下降，我们观察到超导体表面开始出现磁悬浮效应，即超导体在外加磁场下产生的抗磁性使其悬浮于磁场中，呈现出稳定的悬浮状态。
这一现象与超导体的迈斯纳效应密切相关，表明超导体在临界温度以下具有完全抗磁性。
随后，我们对超导体样品在不同外加磁场下的悬浮效应进行了观察和测量。
实验结果显示，随着外加磁场的增加，超导体的悬浮高度呈现出非线性变化，这与迈斯纳效应的特性相符合。
同时，我们还测量了超导体在不同温度下的临界电流值，结果表明临界电流随温度的降低而增加，这也与超导体的抗磁性质相关。
在实验过程中，我们还发现了一些问题和挑战。
例如，超导体样品的制备和冷却过程需要严格控制，以确保样品能够达到超导态并保持稳定的悬浮状态。
此外，超导体在外界振动和扰动下容易失去稳定悬浮状态，因此需要在实验环境中进行有效的隔振和稳定控制。
综合以上实验结果和分析，我们得出了以下结论，超导体在临界温度以下具有完全抗磁性，并能够在外加磁场下实现稳定的磁悬浮效应；超导体的悬浮高度和临界电流受外加磁场和温度的影响，呈现出特定的非线性变化规律。
这些结论为超导磁悬浮技术的应用提供了重要的实验数据和理论基础。
总之，本实验通过超导磁悬浮技术的研究，深入探讨了超导体在低温下的磁性特性和磁悬浮效应，并取得了一系列有意义的实验结果。
这些结果对于超导磁悬浮技术的发展和应用具有重要的理论和实验价值，也为相关领域的进一步研究提供了有益的参考和借鉴。
低温物理学中的超导与磁性材料研究
低温物理学中的超导与磁性材料研究随着科学技术的不断发展，低温物理学逐渐成为一个重要的研究领域。
低温物理学涉及的知识非常广泛，其中超导与磁性材料的研究是其重要的分支之一，这两个方向的研究具有很强的专业性。
在本篇文章中，我们将深入探讨低温物理学中的超导与磁性材料研究的内涵和应用。
一、超导材料的研究超导现象是物理界一个非常重要的发现，其被广泛应用于许多领域。
超导材料指在一定的温度、压力和电场下，材料可以完全消除电阻，而呈现出超导性质。
超导材料除了可以应用于电力工业、磁共振成像等领域，还可以用于全球高能物理学的粒子加速器，比如LHC（Large Hadron Collider）。
LHC是欧洲核子研究组织（CERN）建造的一座强子对撞机，其由超导磁体构成。
容易想象，研究超导材料一定离不开低温。
对于超导材料，最基本的研究技术就是采用量子电动力学。
在这种情况下，低温是必要的条件。
取决于材料类型和温度，不同的超导材料可能需要不同的低温环境。
超导现象的解释是BSC（Bardeen–Cooper–Schrieffer）理论，是一种微观量子力学模拟，用于描述超导电路的运动规律。
其中BSC理论主要解释了超导材料电流的通路仅在材料表面出现，而材料内部的电流通路则被完全消除。
二、磁性材料的研究磁性材料是一种与磁场有关的物质，其在外加磁场下表现出显著的磁化效应。
磁性材料广泛应用于能源、电子、信息、制造等领域中。
比如，磁盘驱动器就是利用磁性材料来存储数据的。
磁性材料也用于电动机降低能源浪费，以及电子设备中的磁头等等。
磁性材料的研究方式主要有2种：一种是通过研究磁学性质来推断磁性材料的性质，另一种是通过其他材料的研究来推断磁性材料的性质。
具体来说，这些研究方法包括磁滞回线、磁感应、自发磁化、相互作用、哈密顿量和基态磁性等。
低温物理学在磁性材料的研究中也是非常重要的。
通常，低温磁性研究的原理是通过检测材料在低温条件下对磁场的响应以及磁性材料在低温条件下的结构和磁有序状态。
低温物理学中的低温测量和低温超导
低温物理学中的低温测量和低温超导低温物理学是研究在极低温条件下物质的性质和行为的科学领域。
在低温下，物质的性质会发生很大的变化，其中特别引人注目的是低温超导现象。
低温超导是一种在极低温下，电流可以无阻抗地流过某些材料的现象，这对于电力输送和储存具有巨大的应用潜力。
然而，要实现低温超导，准确测量低温是至关重要的。
低温测量是低温物理学中的核心技术之一。
测量低温需要使用精确可靠的仪器，并且对测量误差的控制至关重要。
在低温条件下，许多物质会变得非常脆弱，容易破碎或崩溃。
因此，在设计低温测量装置时，必须考虑材料的机械强度和稳定性，以免影响测量结果。
为了测量低温，科学家们发明了各种各样的仪器和技术。
其中一种常用的低温测量技术是热电偶。
热电偶是一种利用材料热电效应，将温度转化为电压的装置。
热电偶的原理是两种不同金属的接触处会产生热电效应，当两个接点处于不同温度时，电势差会产生。
通过测量这个电势差，可以确定材料的温度。
然而，由于热电偶本身的热负荷和导电特性，需要进行精确的校准和补偿，以得到准确的温度测量结果。
另一种常用的低温测量技术是热电阻。
热电阻是一种利用材料电阻随温度变化的特性进行温度测量的装置。
热电阻的原理是随着温度的升高，导体的电阻会发生变化。
通过测量热电阻的阻值，可以确定材料的温度。
热电阻是低温测量中最常用的方法之一，它具有灵敏度高、响应速度快等优点。
然而，热电阻的测量结果仍然会受到电路和线路的影响，需要通过精确的校准和补偿进行修正。
除了热电偶和热电阻，低温物理学中还有其他一些测量技术。
例如，阻尼磁强计是一种测量低温条件下材料磁性的仪器。
阻尼磁强计的原理是根据材料在外磁场中的受阻程度来测量磁感应强度。
通过测量阻尼磁强计的信号，可以确定材料的磁性。
此外，光学测量技术也被广泛应用于低温物理学中。
光学测量技术可以通过观察物质在不同温度下的光学性质变化，来推测材料的物理性质。
通过测量低温条件下的光学响应，可以了解材料的电导率、电磁波吸收等性质。
超导磁体的电源设计与控制
超导磁体的电源设计与控制超导磁体是一种应用于科学研究、能源领域和医学诊断的重要设备。
它利用超导材料的特殊性质，在低温下产生强大的磁场。
然而，为了使超导磁体正常工作，电源设计和控制是至关重要的。
一、超导磁体的基本原理超导磁体的基本原理是利用超导材料在低温下的零电阻特性来传输电流。
当超导材料被冷却到临界温度以下时，电流可以在其中无阻力地流动，形成一个稳定的磁场。
这种零电阻特性使得超导磁体具有高效率和高稳定性的特点。
二、电源设计1. 电源类型超导磁体的电源可以分为直流电源和交流电源两种类型。
直流电源适用于需要持续产生稳定磁场的应用，如核磁共振仪器。
交流电源适用于需要调节磁场强度和方向的应用，如磁共振成像仪器。
2. 电源容量超导磁体的电源容量取决于所需的磁场强度和体积。
较高的磁场强度和较大的体积需要更大容量的电源。
因此，在设计电源时，需要根据具体应用的需求合理选择电源容量。
3. 电源稳定性超导磁体对电源的稳定性要求较高。
由于超导材料的零电阻特性，即使微小的电流波动也可能导致超导材料失去超导状态。
因此，电源设计应考虑到电流的稳定性，以确保超导磁体的正常工作。
三、电源控制1. 电流控制超导磁体的电流控制是保证磁场稳定性的关键。
电流控制系统通常包括电流传感器、反馈控制回路和功率放大器。
电流传感器用于监测电流的变化，反馈控制回路将监测到的电流信号与设定值进行比较，并通过功率放大器调节电源输出，以保持电流稳定。
2. 温度控制超导磁体的温度控制也是电源控制的重要组成部分。
由于超导材料的临界温度较低，需要将超导磁体保持在低温环境中。
温度控制系统通常包括冷却设备和温度传感器。
冷却设备可以通过制冷剂或液氮等方式将超导磁体冷却到所需的温度。
温度传感器用于监测超导磁体的温度变化，并通过控制冷却设备来保持温度稳定。
3. 磁场控制超导磁体的磁场控制可以通过调节电流和磁体几何形状来实现。
电流控制可以通过调节电源输出来改变磁场强度。
50kA-10T CICC 超导导体测试装置低温系统设计
文章编号：CAR21450kA-10T CICC超导导体测试装置低温系统设计彭晋卿 武玉 刘华军 施毅 陈敬林 任志斌（中国科学院等离子体物理研究所，合肥 230031）摘 要 中国科学院等离子体物理研究所正在建设一套50kA-10T超导导体低温性能测试装置。
其低温系统主要由500W/4.5K 氦制冷机、50kA超导变压器低温杜瓦、10T背景场磁体低温杜瓦以及低温液体真空传输管道四部分组成。
500W/4.5K氦制冷机同时提供4.2K液氦和4.2K/3.5bar超临界氦，其中4.2K液氦用来浸泡冷却背景场超导磁体和超导变压器初级线圈；4.2K/3.5bar 超临界氦用来迫流冷却超导变压器次级CICC线圈及测试样品CICC导体，另外背景场磁体低温杜瓦本身设计有一套超流氦制冷系统，可以减压过冷制取1.8K超流氦。
整个低温系统共涉及到4.2K液氦、4.2K/3.5bar超临界氦、1.8K超流氦的综合利用。
关键词 CICC超导导体测试装置低温系统氦制冷机低温杜瓦超流氦制冷循环THE CRYOGENIC SYSTEM OF THE 50KA-10T CICC SUPERCONDUCTING CONDUCTOR TESTING FACILITY Peng Jinqing Wu Yu Liu Huajun Shi Yi Chen Jinglin Ren Zhibin(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei , 230031, China)Abstract A 50kA-10T low-temperature testing facility for CICC superconducting conductor is being built in Institute of Plasma Physics (IPP). The cryogenic system was consisted of a 500W/4.5K helium refrigerator, a 50kA superconducting transformer dewar , a 10T background field magnet dewar and low-temperature transmission pipelines. The 500W/4.5K helium refrigerator produced 4.2 K liquid helium to immerse the background field magnet and the primary coil of the superconducting transformer, and the forced flow supercritical helium of 4.2K/3.5bar to cool its secondary coil and the testing sample coil. In addition, the dewar of background field magnet had a He refrigerationⅡsystem which could obtain 1.8K superfluid helium by decompress. The comprehensive utilization of 4.2K liquid helium, 4.2K/3.5bar supercritical helium and 1.8K superfluid helium was achieved by this cryogenic system.Keywords CICC superconducting conductor testing facility Cryogenic system Helium refrigerator Low-temperature dewar He refrigeration circuit.Ⅱ0 前言目前高性能大电流CICC（Cable-in-Conduit Conductor，CICC）超导导体已广泛应用于超导核聚变装置、超导储能装置、超导强磁场装置及高能超导加速器装置之中，因此开展先进的CICC超导体低温稳定性机理研究、发展CICC超导体的低温测试技术具有重要意义。
超导磁体低温恒温器冷屏设计与测试
thermal shield can be fast cooled to 80K by forced flow of liquid nitrogen, and the thermosyphon
effect formed in liquid nitrogen pipes makes the thermal shield operate steady in temperature range
超导 磁 体 低 温 恒 温 器 的 简 化 结 构 如 图 1 所 示。
目标温度,从而影响增加超导磁体的运行风险。 为了
超导磁体冷屏为一个中空圆柱体,位于超导磁体与杜
论证冷屏降温至目标温度的可行性,需要评估制冷量
瓦之间,通过支撑结构固定在外杜瓦上。 为了进一步
与冷屏热负荷之 间 的 关 系。 同 时 需 要 论 证 冷 屏 上 冷
steady by the automatic circulation of cooling medium during the operation of cryostat.
收稿日期:2020-12-07;修订日期:2021-02-03
基金项目:国家自然科学基金青年基金( NO. 52007183) 。
4
out
- T )
4
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(2)
l = 3. 45 × 10 - 3 ·T / P
(5)
式中:l 为气体 分 子 的 平 均 自 由 程,cm;T 为 气 体
温度,此处取 层 间 温 度 最 高 温 度 300 K 与 最 低 温 度
75 K 的平均值 188 K;P 为层间绝对 压 强,10 - 4 Pa;计
( 1 Institute of Plasma Physics, Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031 , China)
超导磁体的设计与调试技巧
超导磁体的设计与调试技巧引言超导磁体是一种利用超导材料特性产生强磁场的装置。
它在科学研究、医学成像、能源等领域有着广泛的应用。
然而，超导磁体的设计与调试是一个复杂而关键的过程。
本文将探讨超导磁体的设计原理、调试技巧以及常见问题的解决方法，旨在帮助读者更好地理解和应用超导磁体。
一、超导磁体的设计原理1. 超导材料的选择超导磁体的核心是超导线圈，而超导线圈的材料选择对磁体性能有着重要影响。
目前常用的超导材料主要有低温超导体（如NbTi、Nb3Sn）和高温超导体（如YBCO）。
低温超导体具有较高的临界电流密度和较低的临界磁场，适用于低温和较小尺寸的磁体。
高温超导体具有较高的临界温度和较高的临界磁场，适用于高温和较大尺寸的磁体。
根据具体需求，选择合适的超导材料对于超导磁体的设计至关重要。
2. 磁体结构设计超导磁体的结构设计涉及线圈形状、层数、绕组方式等方面。
常见的线圈形状有螺线管、螺旋线圈和环形线圈等。
螺线管适用于产生均匀磁场，螺旋线圈适用于产生非均匀磁场，环形线圈适用于产生高强度磁场。
根据具体应用需求，选择合适的线圈形状和结构对于超导磁体的性能至关重要。
二、超导磁体的调试技巧1. 制冷系统的优化超导磁体需要在低温环境下工作，因此制冷系统的优化对于磁体性能的提升至关重要。
制冷系统包括制冷机、冷头、冷却管路等组成部分。
在设计制冷系统时，需要考虑制冷机的制冷能力、冷头的热容量以及冷却管路的流量和热阻等因素。
通过合理设计制冷系统，可以提高超导磁体的制冷效果，减小温度梯度和热损耗，提高磁体的稳定性和性能。
2. 电流引线的设计与接触技术超导磁体的电流引线是将电流从外部引入超导线圈的关键部件。
在设计电流引线时，需要考虑引线的电流容量、温度分布、热传导和机械强度等因素。
常用的电流引线材料有铜、铝和铜-铝复合材料等。
在接触技术方面，采用焊接、压接和螺栓连接等方式，确保电流引线与超导线圈之间的良好接触，减小接触电阻和热损耗。
超导磁悬浮测量实验报告
超导磁悬浮测量实验报告引言：超导磁悬浮技术是一种利用超导体在低温下的特殊性质实现物体悬浮的技术，具有广泛的应用前景。
本实验旨在研究超导磁悬浮系统的性能，并通过测量分析来评估其稳定性和准确性。
实验设备和方法：本次实验使用的超导磁悬浮系统由超导磁体、永磁体和控制系统组成。
首先，在实验开始前，我们将超导磁体冷却至低温状态，以保证超导体的超导性。
然后，将永磁体放置在超导磁体上方，使其与超导体之间产生磁场相互作用。
最后，通过控制系统对超导磁体的电流进行调节，实现物体在磁场中的悬浮。
实验结果和分析：在实验过程中，我们对超导磁悬浮系统进行了多次测量，并记录了相关数据。
通过对实验数据的分析，我们得出以下结论：1.稳定性分析：通过观察超导磁悬浮系统在不同电流下的悬浮高度变化，我们可以评估其稳定性。
实验结果显示，在超导磁体的电流稳定时，悬浮高度变化极小，表明系统具有良好的稳定性。
2.负载能力：我们进一步测试了超导磁悬浮系统对不同负载的适应能力。
实验结果显示，在负载较轻的情况下，系统能够保持较好的悬浮效果。
然而，在负载较重的情况下，系统的稳定性会受到一定影响，出现悬浮高度波动的现象。
3.测量准确性：为了评估超导磁悬浮系统的测量准确性，我们进行了多次悬浮高度的测量，并计算了其平均值和标准差。
实验结果表明，超导磁悬浮系统的测量结果具有较高的准确性，标准差较小。
结论：本次实验通过测量和分析，评估了超导磁悬浮系统的稳定性和准确性。
实验结果显示，超导磁悬浮系统具有较好的稳定性和测量准确性，适用于一些特定的应用领域。
然而，在面对较重负载时，系统的稳定性会受到一定影响，需要进一步优化。
总结：通过本次实验，我们深入了解了超导磁悬浮技术，并对其性能进行了评估。
超导磁悬浮系统具有广阔的应用前景，例如在交通运输和能源领域中的应用。
然而，仍然存在一些挑战，如负载能力的提升和系统稳定性的改善。
我们相信，通过不断的研究和改进，超导磁悬浮技术将在未来得到更广泛的应用。
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超导磁体低温液位监测单元的设计与实现
引言
超导磁体相对于常规磁体而言，具有励磁线圈电流密度大、电流稳定性高、功耗小、体积小和运转费用低等优点，可满足用户对磁场高强度、高均匀度和高稳定度等性能的要求，在科学研究、医疗诊断、交通运输和电力系统等领域有着广阔的应用前景，其中采用了超导磁体的核磁共振(NMR)谱仪和磁共振成像(MRI)仪更是发展形成了一个产值巨大的市场.随着国民经济和科教医卫事业的迅速发展，我国对超导 NMR 和 MRI仪器设备的需求也在飞速增长，但是这些仪器设备的核心技术与制造基本上控制在少数发达国家手中，为了打破国外的技术垄断并满足国内市场的巨大需求，我国科研机构目前正在积极开展超导仪器设备的自主创新研制.
1 液氦和液氮的液位测量原理
1.1 液氦液位的测量原理
液氦的测量使用电阻式传感器，其测量原理如图 1 所示.使用一根铌钛超导丝制成的液位传感器插入液氦中，其中I+端和I-端连接电流源的正负极，V+端和V-端输出超导丝的电压.测量时，浸没在液氦中的那部分超导丝呈超导态，电阻为 0;而液面之上的超导丝由于加热电阻的作用呈正常态.通过测量传感器的电阻变化量，即可检测液氦液面的变化.
1.2 液氮液位的测量原理
液氮的测量使用电容式液位传感器，其测量原理如图 2 所示，电容传感器由两个同轴不锈钢管构成，中间使用聚四氟乙烯绝缘材料固定两个管子的位置，外管的管壁上开有若干流通孔，使液氮能在电容传感器中自由流入或流出.由于空气和液氮的介电常数不同，当液位变化时，传感器的电容量也相应变化，可以检测出液位的变化.
2 液位监测单元的硬件设计
2.1 硬件整体设计
液位监测单元的硬件整体架构如图 3 所示，液位监测单元硬件电路主要由模拟信号处理电路和以 STM32ARM 微控制器为核心的控制系统组成.
2.2 压控电流源的设计
为了适应不同规格的电阻传感器对电流源的需求，由微控制器所产生的PWM 输出经过光耦合器的隔离耦合以及比较器的缓冲后，再经过低通滤波后输出一个直流电压以控制电流源.
2.3 电压-频率转换电路
电压-频率转换电路的原理图如图 5 所示，电阻式传感器提供的电压经由接口 V+和V-进入电压-频率转换器 TC9400 的 3 脚和 7 脚，然后在 8 脚输出相应的频率 FREQ_OUT，输出频率经过光耦的隔离耦合后进入微控制器进行处理，从而计算出液氦的液位.
2.4 电容-频率转换电路
电容-频率转换电路的原理图如图 6 所示，采用 INTERSIL 公司型号为 ICM7555 的555 定时器构建一个经济实用的电容-频率转换电路.电容传感器的两个极板分别连接P1 和P2 接口，接口 PL1，PL2 和 PL3 分别接供电电源、频率输出和地，由电阻 R2和电容构成积分电路，并周期性对电容进行充放电，使得电容上的电压在门限电压上下反复震荡，通过 555 定时器内部的比较器和触发器的工作，可以在输出管脚得到相应的脉冲波形.
2.5 微控制器系统设计
以STM32F103 微控制器作为控制核心，对模拟接口电路输出的频率信号进行处理，并通过脉冲宽度调制(PWM)为压控电流源提供输入脉冲，通过 CAN 总线与上位机进行通信，液氦和液氮的液位信息在微控制器内进行计算，其结果在LED 数码管上显示，并且在液位低于安全位置时，通过蜂鸣器进行报警.图 7 所示为微控制器系统电路的框图.
3 液位监测单元的软件设计
3.1 软件总体设计
液位监测软件的主要功能是通过CAN 通信设置两个测量通道的各项参数，并控制电流源为电阻式液氦传感器提供工作电流，然后将测量通道反馈回来的频率信号进行处理，得出液位信息后显示在 LED 数码管上，并通过 CAN 通信接口上传给上位机.
3.2 频率信号处理程序设计
STM32F103 包含了多个通用定时器，为了能够同时测量液氦和液氮的液位，本文使用通用定时器 TIM2 和 TIM3 分别为液位监测的两个通道进行频率信号处理.在STM32F103 初始化的时候对 TIM2 和 TIM3 进行配置，其时钟由内部时钟源提供为 72MHz，预分频值为 1，计数器设置为向上计数模式，自动重载寄存器的值设置为 65 535.
4 液位监测单元的功能测试
液位监测单元经过 PCB 的器件焊接和各个功能模块的调试后进行了功能测试.在默认设置中，液位监测单元启用了两个测量通道，通道 1 用于液氦测量，通道 2 用于液氮测量.
5 结论
本文首先介绍了超导磁体液氦和液氮的液位监测单元的研究背景和意义，接着介绍了液氦和液氮的液位测量原理，然后详细阐述了基于STM32 微控制器的双通道低温液位监测的设计方案，即从微控制器 STM32F103 输出的 PWM 波形控制电流源输出一个稳定的电流，同
时，两路频率转换电路分别把电压值和电容值转换为频率信号，输入到微控制器STM32 中进行处理，最后由 STM32 输出的液位信息在 LED 数码管进行显示并通过 CAN 通信传至上位机.最后通过测试表明，实现了液位的实时监测、远程监测和远程控制等功能，验证了设计的可行性.。