（制冷及低温工程专业论文）脉管制冷机冷却的小型超导磁体低温系统研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 脉管制冷机冷却的小型超导 磁体低温系统研究1 芦杰 浙江大学制冷与低温工程研究所，杭州，3 1 0 0 2 7 摘要 脉管制冷机由于冷端不存在运动部件，以其运行可靠、低振动、低磁噪声以 及长寿命等显著优点受到人们的青睐。随着液氦温区脉管制冷机性能的不断改 进，脉管制冷机将逐步取代传统的g m 制冷机，用来冷却红外传感器、超导磁 体等。液氦温区脉管制冷机是冷却小型超导磁体系统较为理想的低温制冷机。本 文回顾了小型制冷机直接冷却超导磁体系统的发展，结合脉管制冷机的性能特 点，设计了用分离型二级脉管制冷机冷却的小型超导磁体低温系统。磁体线圈在 工作电流3 5 a 的情况下，磁体中心区域产生5 t 的场强。用大型软件f l u e n t 对液 氦杜瓦的温度分布并用a n s y s 对磁体磁场分布进行了数值模拟。具体研究工作 如下： l 脉管制冷机冷却小型超导磁体系统的总体设计 小型超导磁体采用再冷凝方式冷却，优点是磁体温度均匀，失超时通过蒸发 液氦从而延长磁体温度上升到失超温度的时间。氦气通过缠绕在制冷机回热器上 的螺旋形薄壁不锈钢管预冷后进入液氦杜瓦，杜瓦上法兰与制冷机二级冷头联 接，下表面设计有导热翅片，用来冷却杜瓦内自然对流上升的饱和氦气。磁体失 超等因素蒸发的氦气通过排出管送入室温储罐。磁体系统在工作电流3 5 a ，制冷 机一级冷头4 0 k 的热负荷为5 1 2 w ，制冷机二级冷头4 2 k 的热负荷为1 0 0 1 m w 。 2 稳态运行过程数值模拟 为考察液氦杜瓦内的温度分布情况和磁场对系统各部分的影响，本文借助大 型软件f l u e n t 和a n s y s 对系统中关键部件一液氦杜瓦的温度场和螺线管超导 磁体的磁场分别进行了数值模拟与分析。模拟结果表明液氦杜瓦内温度分布均 匀，产生的磁场对系统各部件的影响不大。 3 分离型脉管制冷机试实验 为了配合冷却超导磁体的需要，本文对研制的分离型二级脉管制冷机进行了 试验研究。对于分离型二级脉管制冷机来说，第一级能否获得很好的制冷性能直 1 本课题受国家自然科学基金( 5 0 1 0 0 0 1 3 ) 和教育部科学技术研究重点项目( 1 0 5 0 9 5 ) 资助。 l 浙江大学硕士学位论文 接影响整台制冷机的最终性能。本文通过对制冷机系统的主要部件进行改进和参 数优化，获得了优良的制冷性能，最低无负荷制冷温度达到1 2 6k ，这是目前国 际上单级脉管制冷机获得的最低制冷温度，在4 0k 具有5 9 w 制冷量。该制冷机 用于预冷第二级脉管制冷机，在压缩机输入电功率为6 6 k w ，二级冷头在4 o k 具有5 1 8 m w 的制冷量，同时第一级在4 0 k 时制冷量为1 9 8 w ，能基本满足冷却 超导磁体系统的需要。 4 二元电流引线设计 铜电流引线和高温超导二元混合电流引线是再冷凝方式冷却的超导磁体系 统的关键技术之一。电流引线优化设计的目的就是在满足设计电流的前提下，尽 可能减小电流引线向低温冷头的漏热。高温超导电流引线的优点是消除了焦耳 热，而且热导率很低，大大降低了沿引线从截断温区到液氦温区的导热漏热。室 温部分由紫铜组成，通过导热由制冷机一级冷头截断漏热，温度约为4 0 k ；高温 超导部分由b i 2 2 2 3 高温超导导线组成，低温端与制冷机二级冷头热连接，从而 达到冷却效果。 关键词：脉管制冷机电流引线液氦超导磁体 浙江大学硕士学位论文 s t u d yo f as m a l ls u p e r c o n d u c t i n g m a g n e ts y s t e m c o o l e db yp u l s et u b e r e f r i g e r a t o r l u j i e i n s t i t u mo fr e f r i g e r a t i o na n dc r y o g e n i c se n g i n e e r i n g , z h e j i a n gu n i v e r s i t y , h a n g z h o u ，3 1 0 0 2 7 a b s t r a c t p u l s et u b ec o o l e rh a ss e v e r ma d v a n t a g e s ，s u c ha sh i g h e r r e l i a b i l i t y , l o w e r m e c h a n i c a lv i b r a t i o n ，l o w e rm a g n e t i cn o i s ea n dl o n g e rl i f e t i m e , s i n c ei th a sn o m o v i n gp a r t sa tt h ec o l de n d i tw i l lr e p l a c et h ec o n v e n i e n a lg - mc o o l e rt oc o o lt h e i n f r a r e ds e n s o r sa n ds u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t sw i t ht h ep e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n to f t h ep u l s et u b ec o o l e ri nt h et e m p e r a t u r er e g i o no fl i q u i dh e l i u m a n di t sa l s oa l li d e a l l o w - t e m p e r a t u r ec o o l e rf o rc o o l i n gt h es m a l ls u p e r c o n d u c t i n gm a n g e rs y s t e m t h i sp a p e rr e v i e w st h ed e v e l o p m e n to ft h es u p e r c o n d u c t i n gm a g n e ts y s t e m d i r e c t l yc o o l e db ys m a l ll o w - t e m p e r a t u r ec o o l e r , c o m b i n e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e p u l s et u b ec o o l e r ，as m a l ls u p e r c o n d u c t i n gm a g n e ts y s t e mi sd e s i g n e dc o o l e db ya s e p a r a t e dt w o - s t a g ep u l s et u b ec o o l e r t h em a g n e tc o i lc a nb ec h a r g e dw i t hac u r r e n t o f3 5 a c o r r e s p o n d i n gt oac e n t r a lf i e l do f5 t t h ec o m m e r c i a ls o f t w a r ef l u e n ti su s e d t os i m u l a t et h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fl i q u i dh e l i u md e w a ra n da n s y si su s e dt o s i m u l a t et h ed i s t r i b u t i o no fm a g n e t i cf i e l d t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sl i s t e da s f o l l o w s ： 1 d e s i g no fas m a l ls c a l es u p e r c o n d u c t i n gm a g n e ts y s t e mc o o l e db yp u l s et u b e c o o l e r t h es m a l ls c a l es u p e r c o n d u c t i n gm a g n e ti si m m e r g e di n t ol i q u i dh e l i u ma n dt h e l i q u i dh e l i u mi su s e df o rc o o l i n g t h em e r i to ft h i sm e t h o di st h a tt h et e m p e r a t u r eo f t h em a g n e ti su n i f o r ma n dt h es u p e r c o n d u c t i n gm a g n e tc a nb ec o o l e db yt h e e v a p o r a t i o no ft h ef i q u i dh e l i u mw h e nt h em a g n e tq u e n c h e s t h ei n c o m i n gh e l i u m g a si sp r e c o o l e dw h i c hp a s s e st h r o u 曲at h i ns p i r a ls t a i n l e s ss t e e lt u b ew e l d e do n r e g e n e r a t o ru s i n gt h ef w s ta n ds e c o n dr e g e n e r a t o r s ，a n dt h e nf l o w si n t ot h el i q u i d h e l i u md e w a r t h et o pf l a n g ew i t hf i no ft h ed e w a rd i r e c t l yc o n n e c t e dw i t ht h ec o l d h e a do ft h et w os t a g eo ft h ep u l s et u b ec o o l e ri su s e dt oc o n d e n s et h ev a p o r e d s a t u r a t e dh e l i u mg a s t h ee v a p o r a t e dh e l i u mg a so b t a i n e db yq u e n c ho ft h em a g n e ti s s t o r e di na m b i e n tt e m p e r a t u r ec o n t a i n e r t h eh e a tl o a do ft h ec o l dh e a do ft h ef i r s t s t a g e ( 4 0 k ) a n dt h es e c o n ds t a g e ( 4 2 k qi s5 1 3 wa n d9 9 2 ww h e nt h eo p e r a t i n g 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t c u r r e n to f3 5 a 2 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs t e a d yp r o c e s s t oa n a l y z et h et e m p e r a t u r ed i s t i n c t i o ni nh q u i dh e l i u md e w a ra n di m p a c to f m a g n e t i cf i e l do ne a c hp a r to ft h es y s t e m ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h es i m u l a t i o na n d a n a l y s i so ft h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h ef i q u i dh e l i u md e w a ra n dt h ed i s t r i b u t i o n o fm a g n e t i cf i e l do fs p i r a lc o i l sb yu s i n gt h es o f t w a r ef l u e n ta n da n s y s s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h eu q u i dh e l i u mi su n i f o r ma n dt h e m a g n e t i cf i e l dh a sv e r ys m a l li m p a c to ne a c hp a r to ft h es y s t e m 3 e x p e r i m e n to nt h ef i r s ts t a g ea n ds e c o n ds t a g eo ft h es e p a r a t e dp u l s et u b ec o o l e l f o rs e p a r a t e dt w o s t a g ep u l s et u b ec o o l e r , t h ef i r s ts t a g ew i t h9 0 0 dc o o l i n g p e r f o r m a n c ed i r e c t l yi n f l u e n c e st h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l ep u l s et u b ec o o l e r b y o p t i m i z a t i o no ft h em a j o rc o m p o n e n t sa n dw o r k i n gp a r a m e t e r s ，t h et e m p e r a t u r eo f 1 2 6 kw i t h o u tl o a dh a sb e e nr e a c h e d , w h i c hi st h el o w e s tt e m p e r a t u r eo b t a i n e db y s i n g l es t a g ep u l s et u b ec o o l e r , a n dt h ec o o l i n gp o w e r5 9 w a t4 0 磁f o rt w os t a g e s w i t ht h ei n p u tp o w e r6 6 k w , t h ec o o l i n gp o w e ro f5 1 8 m wa t4 0 kc a nb eo b t a i n e df o r t h es e c o n ds t a g ew h i l et h ec o o l i n gp o w e ro f1 9 8 wi so b t a i n e da t4 0 kf o rt h ef i r s t s t a g e 4 d e s i g no ft h ec u r r e n tl e a d s b i n a r yc u r r e n tl e a dc o n s i s t e do fc o p p e rc u r r e n tl e a da n dh i g ht cs u p e r c o n d u c t i n g m a g n e ti so n eo fk e yt e c h n o l o g yo fl o wt e m p e r a t u r es u p e r c o n d u c t i n gm a g n e ts y s t e m w h i c hi sd i r e c t l yc o o l e db ys m a l ls c a l ec o o l e r t h eo p t i m i z a t i o no ft h ec u r r e n tl e a d si s t or e d u c et h eh e a tl e a k a g ef r o mt h ec u r r e n tl e a d st oc o l dh e a do ft h er e f r i g e r a t o ru n d e r t h ec o n d i t i o nt h a tm e e t st h ed e s i g n e dc u r r e n t h i g ht cs u p e r c o n d u c t o r sa r et h eb e s t m a t e r i a l st om i n i m i z er e f r i g e r a t i o np o w e rf o rt h ec u r r e n tl e a d si ns u p e r c o n d u c t i n g s y s t e m s ，m a i n l yb e c a u s et h e ya t ep e r f e c te l e c t r i c a lc o n d u c t o r sa n dh a v em u c hl o w e r t h e r m a lc o n d u c t i v i t yt h a nt h en o r m a lm e t a l s k e yw o r d s ：p u l s et u b ec o o l e r , c u r r e n tl e a d l i q u i dh e l i u m , s u p e r c o n d u c t i n g m a g n e t s 学号2 q 3 0 8 2 2 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸 江盘茔或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：声 召j 签字日期： 细年弓月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 专、4 。- 签字日期：弘彤年3 月7 同 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 导师签名：多矛k 导师签名：夕p f 签字日期： 护年；月7 日 浙江大学硕士学位论文 主要符号表 主要符号表 气 擐孽效率系数 f单位质量内能 兰竺 叩翕另秸磊 ， 曼霎。 二 蔷丕。 k 一 垫妻兰。 f r -哥高常数 l ，篓瑚乏鳜系数 自感系数，洛伦兹数，长度。；：；三；。 m 苎鼍，。 z 、下亲v , i - 一” 历皂驽质量 l。一次量 p ，1 2 二次量 q 。鳌鎏。， c冷磊一 r 妻阻：苎体常数 纛菇 s 兰二抽速 ， ，装毒 s 憋 1 ：l淼泵 t绝对温度 r j ，u = 一 ：嚣嚣，时间 可p 蔫的 ” 罨量速度叫m 加耋采茗w 功 “ “o “ v 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了本研究课题的学科背景，接着回顾了制冷机冷却的超导磁体 系统的发展历史和研究现状，指出了本课题的研究意义。最后简要介绍了全文的 主要工作内容。 1 1 课题研究背景 自从上个世纪初荷兰物理学家昂尼斯( o n n e s ) 发现超导现象以来，人们也 对超导电性的实际应用提出了许多设想。但是，由于当时发现的超导材料的超导 性极易受到磁场影响而被破坏，致使这些设想未能实现。 直到上世纪6 0 年代发现具有使用价值的超导材料后，才使早期的设想得以 实现。超导磁体的电流密度高，因此超导磁体可以获得比常规磁体高得多的磁场。 超导磁体在临界温度和临界磁场以下具有零电阻特征和完全抗磁性，用超导磁体 产生强磁场( 一般大于2 t ) 比用常规磁体经济得多，其发展越来越受到人们的 重视。随着超导技术的发展，超导磁体在科研和工业中的应用越来越广泛【1 1 。目 前，在大型的应用场合如高能加速器、高能粒子探测器、核聚变装置等，超导磁 体的应用已较为普遍，而且某些场合超导磁体几乎是唯一的选择。而在一些中小 应用场合，超导磁体也有相当的发展前景，超导磁拉单晶生长炉、超导磁体分离 装置、超导核磁成像装置等方面都有很大的发展，超导核磁成像装置更是超导磁 体在工业应用中的代表。另外，现在的科研工作往往要求一些极限条件如磁场强 度高、均匀性好等的环境下来研究粒子、材料的特性，超导磁体的发展为科研工 作提供了很好的条件。如美国q u a n t u md e s i g n 公司研制的多功能材料物理 特性测量系统，系统最高可产生1 6 t 的场强，其主要配置包括超导磁体、变温 单元、电输运特性测量系统、交直流磁化特性测量系统和比热测量系统。此系统 主要面向凝聚态物理、材料、化工、化学、地质、生命科学等，在低温、强磁场 条件下，对材料的电、磁、热等多种物理特性进行综合分析测试，对各种固态、 液态甚至气态物质材料的物理特性研究。在温度1 9 - - 3 5 0 k 与磁场0 1 6t 范围 内，可自动测量材料的交直流磁化率、磁滞回线、比热、热导率、热电势及电输 运特性等。随着超导技术的发展，超导磁体在科研和工业等各方面的应用将越来 越广泛。 现冷却超导磁体的方式主要有三种：1 ) 液氦浸泡方式冷却超导磁体，方法 直接简单。但是由于低温容器、电流引线及支撑结构的漏热不可避免，液氦不断 的蒸发消耗，因此需要定期补充液氦。液氦的使用需要丰富的低温知识和熟练的 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 低温技术和经验，而且液氦价格也比较昂贵，这些因素严重的阻碍了超导磁体技 术的普及和以超导磁体技术为基础的相关技术的发展。2 ) 小型制冷机直接冷却 超导磁体。这种冷却方式结构简单，不需要输入液氦，操作时要求相对少的技术 支持，能提供稳态和缓慢变化的磁场。近十年来随着小型制冷机技术的突破和高 温超导材料的出现，小型制冷机冷却超导磁体技术得到了快速发展。目前在很多 领域，已经或正在取代浸泡冷却磁体。制冷机直接冷却超导磁体系统的不足是： 冷却时间长；由于磁体材料热导率较小，对磁体内部冷却效果不好，对磁体 绕制有特殊要求，如需在用来固定和绝缘超导导线的环氧树脂注入a i n 颗粒以 增强导热，增加线圈外壁面铜套：一方面抵御线圈径向电磁力，另一方面增强对 线圈的导热；由于没有冷量储备，制冷机失效时，超导磁体将马上升温导致失 超，磁体稳定性差。3 ) 制冷机再冷凝方式冷却超导磁体，小型制冷机冷却蒸发 饱和氦气或低温氦气。该冷却方式的缺点刚好和制冷机直接冷却方式相反，结构 较直接机直接冷却复杂，特别是需要增加一个氦气储罐用来存储系统停机时温度 升高的氦气。优点是冷却效果较传导冷却方式好，有冷量储备，因此当制冷机发 生故障时磁体仍能保持一定时间的超导状态，同时又能保护磁体失超时，磁体温 度升高的范围。 氧化物高温超导体材料的发现，为人们找到了导电好而导热差的材料【2 l ，二 元结构的电流引线可显著降低通过电流引线的漏热。自从低温端的电流引线使用 高温超导材料后，通过电流引线流入低温端的热负荷大幅减小，已不再是低温端 的主要热负荷。低温超导磁体一般工作在液氦温区，实用化的低温超导磁体主要 有n b t i 和n b 3 s n 两种。随着小型制冷机技术的发展，其在制冷量和制冷特性方 面都取得了长足的进步，现在商用的g m 制冷机，已有在4 k 提供1 5 w 制冷量 同时4 0 k 还有4 0 w 冷量的机型【3 1 。目前，为低温超导磁体系统提供冷源的g m 制冷机在4 2 k 一般有0 5 1 5 w 的制冷量，同时制冷机一级有十几瓦至几十瓦的 制冷量来冷却辐射屏和电流引线。磁体系统所需的冷量与磁场强度的大小、孔径 的大小、励磁速度的快慢、真空度的高低、绝缘和传热情况等密切相关。对于一 般的中小应用场合，磁场强度要求不是很高且系统不是很大的情况下，在4 2 k 有0 5 w 以上制冷量的单台制冷机已基本能够满足系统所需的冷量。 用来冷却超导磁体的小型制冷机主要有g m 制冷机和脉管制冷机。g m 制 冷机由于发展较早，技术比较成熟，商业g m 制冷机现已经被广泛的应用于各 类低温系统中，用g m 制冷机直接液化氦气的研究也比较早1 4 】。g m 制冷机利 用低温下的位移器来调节流量与压力振动的相位，一方面提高了制冷效率，另一 方面也使得g m 制冷机冷头有较大的机械振动，因此，为避免振动对磁体的影 响，需要通过软连接来冷却磁体，冷头离磁体一定的距离，这样会增大装置的尺 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 寸闭。同时，冷端位移器限制了g m 制冷机的寿命，一般为1 0 0 0 0 小时左右， 还可能对临近的磁场梯度产生影响，以上不足限制了g m 制冷机进一步应用。 脉管制冷机是最近几年发展起来的新颖的小型制冷机系统。脉管制冷机由于没有 低温下的运动部件，结构简单，相比于g m 制冷机脉管寿命延长一倍，其二级 冷头振动小于1 5 1 0 r 4 寸”。同时，脉管制冷机不会象g m 制冷机的冷端位移器 那样产生对磁场梯度的干扰1 7 1 。最近，随着新型蓄冷磁性材料的发现以及调相机 理的改进，使得脉管制冷机性能已经接近g - m 制冷机，在很多应用领域逐渐代 替g m 制冷机。浙江大学制冷与低温研究所是国内较早开展脉管制冷机研制的 单位之一，现在研制的单级脉管制冷机最低温度已经达到1 2 6 k ，双级最低温度 达到2 3 k ，处于国际先迸行列。在脉管制冷机的应用研究方面，研究者很早就 对脉管制冷机直接液化氦气进行了尝试嗍。通过回热器预冷，从室温用脉管制冷 机直接液化氦气已经取得了每天4 8 l 的水平【9 】。磁性蓄冷材料是利用了磁相变 温度处的比热峰值，而磁性材料的比热大小受外部磁场的大小影响。因此，用于 冷却超导磁体时，制冷机的蓄冷器所处磁场较强的话，应当使用反铁磁性材料 1 1 0 1 ，如h o c u 2 和e r v n i ，在强磁场梯度下，对制冷机的力学性能和涡流电流的影 响也很小【n 】。一般而言，脉管制冷机倾斜角在3 0 度之内性能影响不是很大 7 1 。 在液化流量下通过第二级回热器预冷，将使第二级冷头冷量减少大约1 0 1 7 1 。 1 2 制冷机冷却的超导磁体系统发展历史及研究现状 超导磁体的应用已经逐渐渗透到各个领域1 1 - 1 4 1 。近十几年来，随着小型低温 制冷技术的进步和高温超导材料的出现，制冷机冷却的超导磁体系统得到了快速 发展，已从实验室的研究阶段向商品化方向发展。目前，制冷机冷却的超导磁体 系统的生产厂家主要有英国的c r y o g e n i c l i m r r e d 公司、日本神户制钢之子 公司j m t 、美国的c r y o m a g n e t i c s 公司和英国的牛津仪器( o x f o r di n s t r u m e n t s ) 公司等。 早在1 9 8 3 年，m o h o e n i g 提出了用小型制冷机直接冷却超导磁体的构想1 1 5 1 。 此系统选用n b 3 s n 超导磁体，工作温区在1 2 1 4 k ，用制冷机进行冷却。制冷机 第一级在7 0 k 、第二级在1 4 k 的制冷量分别为3 0 w 和2 5 w 。线圈的质量为1 2 k g ， 电流密度为1 3 8 k a c m 2 ，工作电流4 0 a 时可产生的最大磁场强度为3 3 t 。传导 冷却的电流引线选用铜导线，工作电流为4 0 a 时，分析计算通过电流引线流入 制冷机一级和二级的热负荷分别为5 w 和l w 。由于铜电流引线的热负荷非常大， 在l l k 提供0 5 w 制冷量的小型g m 制冷机不能维持低温超导线圈的大工作电 流。尽管实际的超导磁体在非常小的工作电流下是不能实现的，但这篇报道对工 作在真空容器中的传导冷却的超导磁体进行了概念设计。 3 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 随后在1 9 9 0 年，t w e n t e 大学和日本n i p p o n 大学的科研工作者都进行了小 型制冷机直接冷却的n b 3 s n 超导磁体的研究 x 6 , r q 。系统由g m 制冷机来驱动， 仍然用铜导线做电流引线，但仍没有实现在1 0 0 2 0 0 a 工作电流下稳定运行的实 用化超导磁体系统。这里的主要困难还是如何克服在大的工作电流运行条件下产 生的电流引线的漏热和导线的焦尔热损失问题。 1 9 9 3 年，日本t o h o k u 大学材料研究所研制成用高温超导材料作电流引线的 制冷机直接冷却的超导磁体系统 1 s 1 9 。工作电流为4 6 7 a 时，在3 8 m m 室温孔中 心区产生4 , 7 1 的场强。磁体系统由( n b ，t i ) 3 s n 超导线圈、二级g m 制冷机、b i 系列超导电流引线、铜电流引线、辐射屏和低温容器组成。制冷机选用二级g m 制冷机，制冷机一级在6 0 k 有4 0 w ，二级在1 0 k 有0 5 w 的制冷量。整个磁体 系统的外径为3 2 0 r a m ，高度为9 2 0 1 1 1 1 1 1 ，质量为1 9 0 k g 。系统在工作电流为4 0 0 a 、 室温孔直径3 8 m m 的中心区域产生4 t 的稳定磁场，此时线圈的测量温度1 1 1 k 。 这是世界上第一台实用的无液氦的超导磁体系统。 1 9 9 3 年日本研制了g m 制冷机传导冷却的n b 瓢超导磁体系统 2 0 1 。n b t i 超 导磁体的临界温度较n 1 ) 3 s n 磁体要低，但n b t i 磁体韧性好，实际应用在许多机 械设备中。此系统有两台二级g m 制冷机进行冷却，其中一台制冷机直接冷却 连接在二级冷头的n b t i 线圈，另一台制冷机冷却电流引线和辐射屏。低温制冷 机的二级蓄冷器填充磁性蓄冷材料e r 3 n i 颗粒，填充质量为2 8 0 9 ，最低制冷温度 为4 o k ，在5 4 k 时有5 0 0 | m w 制冷量。n b t i 线圈的尺寸为：外径1 4 0 m m ，内径 3 0 m m ，高度3 9 m m 。制冷机的二级到室温段的电流引线用无氧磷化铜，而从制 冷机二级到线圈终端的电流引线为了减小漏热，选用尺寸为5 m m x o 1 m m 的 n b 3 s n 带。励磁电流3 8 5 a 时，产生的最大场强为6 3 t ，中心区域场强为5 4 t 。 到此进行的均是制冷机冷却的超导磁体系统的初期试验研究，接下来进行了 实用化研究。 1 9 9 5 年日本东芝公司研制成6 t 的制冷机直接冷却的低温超导磁体系统 【2 1 捌，室温孔直径为1 8 0 m m 。这是世界上第一台有室温孔的制冷机冷却的n b t i 超导磁体系统。制冷机选用4 k 温区g m 型制冷机，b i 2 2 1 2 电流引线的内径为 5 m m 。长度为5 0 m m 。在运行电流为1 2 8 a 时，线圈的室温孔中心区域产生6 t 的磁场。当加载电流为1 3 8 a 时，在1 8 0 r a m 室温孔中心区域产生6 4 5 t 的磁场， 在导体内产生的最大磁场为7 3 2 3 ，线圈的电流密度为2 3 3 a m m 2 。 1 9 9 5 年日本东芝研究与发展中心研制成制冷机冷却的1 0 1 的超导磁体系统 1 2 3 - 2 5 1 ，其结构式意图如图1 1 所示。超导线圈用二级g m 制冷机冷却，制冷机的 制冷量在4 2 k 为0 5 w 。另一台用铅丸作蓄冷器填料的二级g m 制冷机的一级和 二级分别冷却8 0 k 和2 0 k 的热辐射屏。二元电流引线由高温超导电流引线 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 b i 2 2 1 2 和铜电流引线组成，超导线圈由n b t i 和n b 3 s n 线圈组成。在工作电流 为1 3 0 a 时，线圈设计产生磁场1 0 t ，b i b 3 s n 线圈和n b t i 线圈产生磁场分别为 4 t 和6 t 。工作电流为1 3 0 a 时，在1 0 0 m m 室温孔中心产生1 0 1 的场强。1 9 9 6 年，日本东芝在以上设备的基础上进一步优化，最终在1 0 0 r a m 室温孔产生1 1 5 t 磁场嘲。 图1 11 0 t 1 0 0 m mg m 制冷机直接冷却的超导磁体系统 表1 1 列出了近些年来文献报道的一些低温超导磁体系统1 2 1 - 5 2 1 ，对各国的研 究情况进行了归纳。另外，英国牛津仪器公司最新研制的小型制冷机再冷凝方式 冷却的超导磁体系统可分别产生1 2 t ，1 4 t ，1 6 t 的磁场，工作温度为4 2 k 。此 系统无液氦消耗，磁体在运行过程中不需要冲入液氦，但却保留了传统的湿式超 导磁体系统的特征和优点。此超导磁体可产生均匀场或梯度场。用二级g m 制 冷机来为系统提供冷源，使超导磁体维持在4 2 k 。当系统温度升高，气氦保存 在一个外部的缓冲容器中。磁场的最大场强可达1 6 t ，磁场梯度可达1 4 0 0 t 2 m 。 磁体系统的室温孔径为5 0 7 m m ，励磁时间小于6 0 分钟。g m 低温制冷机通常在 4 2 k 温度下的制冷量为0 5 w 。液氦杜瓦容积4 升。 英国的c r y o g e n i cl i m i t e d 公司己研制成室温孔直径5 2 m m 中心处产生 1 7 t e s l a 的制冷机冷却的超导磁体系统，在励磁电流为1 0 5 a 时可产生1 7 t 的场 强，线圈的外径为2 2 5 m m ，线圈的长度为3 8 5 m m ，系统由住友公司生产的g m 制冷机提供冷量。制冷机冷却的低温超导磁体系统还有很多【5 铜，这里不再一一 介绍。 5 浙江大学硕士学位论文第章绪论 。 表1 1 制冷机冷却的低温超导磁体的研究情况 温孔径，中心场强 报道 制冷机类型及 线圈内经 c o ：e 作 导线类型用途研制单位 年份数目 ( m m ) 电流( a ) 日本 2 台g - m 机( 4 k 1 8 0 2 1 5 6 1 2 8n b ，n 一般用途东芝公司 1 9 9 5 2 0 k 、 n t ，3 s n 2 台g - m 机( 4 i 二d o - - - 0 8 8 8 说明该容器为“短”圆柱体，对于短圆柱形真空容器，其屈曲压力为： p 。石巧呵2 面4 2 e 面( t 而d o ) 硕5 2 丽( 2 - 7 ) ，。 ( 1 一 ，2 ) 3 h 【( l d 0 ) 一0 4 5 0 d o ) 1 胆】 e ；弹性模量，对不锈钢e 2 0 7 g p a y ：材料p o i s s o n 比，对不锈钢y 0 2 8 ：真空容器高度，对本系统，工。0 s m 将数据代入上式算得：p - 1 2 9 x 1 0 5 p a p 。一4 0 5 2 x 1 0 5 p a 。 所以，对于真空容器的侧壁，壁厚取3 m m 是安全的。 对于椭圆形封头，其最小封头厚度为：“一譬 ，代入数 据得到；t - 0 7 1 8 m m 。而对于平板形封头，则厚度要适当加厚，本设计系统底 面采用椭圆封头密封，封头厚度取3 m m 。 2 5 2 液氦杜瓦设计及强度校核 本系统采用脉管制冷机再液化饱和氦气的方式冷却超导磁体，超导磁体浸泡 在液氦中。容器压力稍高于大气压，在冷却过程中通过螺旋形薄壁不锈钢导入管 预冷从室温气囊中补充的常压氦气。停机时，同样通过排气孔将蒸发的氦气储存 到气囊中。因此，稳态运行时，排气管从上到下充满从室温到液氦温度的氦气， 排气管的尺寸主要由容器内氦气的质量和容器壁厚决定。磁体失超时，温度将上 升到5 0 k 左右，短时间内储存液氦将全部蒸发，必须及时排出容器，否则容器 内压力将超过容器的设计压力而损坏容器。因此，排气管流阻不能太大，即直径 不能过小。同时在满足上述安全条件的前提下，又要求管径尽可能小，以减少制 冷机冷头的热负荷。测量磁体及液氦容器物理参数的传感器数据线也通过该排气 管连接到室外。因此，在室温端该排出管上安装有自密封接头、安全阀、爆破阀、 数据线连接接头、压力传感器等装置。安全阀的开启压力应小于容器设计的可承 受压力。为减少系统降温时间，在容器内有少量液氦时也可开始励磁，容器设计 成两层，下层直径较小，上层较大，这样液氦将更快的浸没整个磁体，从而加快 浙江大学硕士学位论文 第二章蠡i ：管制冷机冷却的小型超导磁体系统总体设计 系统准备过程。 为安装磁体及温度传感器，液氦杜瓦必须为可拆卸式，即它由容器与顶部法 兰组成。鉴于密封圈在低温下失效，法兰与容器采用退火紫铜垫圈刀口密封，即 上下法兰对称倒尖角，中间放置铜圈，材料铜比较软，当外面螺栓拧紧时，法兰 尖角便刺入铜圈里，从而保证了连接的密封性。杜瓦容器中部焊接有三个连接支 架，通过三根不锈钢链条挂在冷屏上。 为了减小泄漏隐患，低温容器设计的原则是在满足运行条件下，应尽可能的 减少焊缝、连接结构等可能的漏源。在本系统中，与低温容器法兰连接的部件包 括；一对电流引线、制冷机二级冷头、和氦气导入管和排气管及样品室壁。制冷 机二级冷头与法兰通过盲孔和螺栓连接，不存在泻漏的问题；不锈钢导入管、排 气管和样品室壁用氩弧焊接在容器上，可保证密封。电流引线的过渡连接问题将 在后面章节详细介绍。 液氦容器工作压力约1 b a r ，圆柱形，外径为1 8 4 r a m ，高2 5 0 r a m 。容器外面 为真空，取设计绝对压力为5 b a r 。设计标准为a s m e l 8 6 1 。其最小厚度t 为； r - 瓦丽p d o ( 2 - 8 )知。e 。+ o 8 p 7 p ：设计绝对内压 d 0 ：容器外径 s 。；材料许用应力，对于铜，s 。- 4 6 础p a e 。：焊接效率系数，这里取e 。- 1 容器封头如为椭圆形封头，其最小厚度t 。为： t h 一瓦i 再p d o 而k ( 2 - 9 )。瓦i 面丽 k 为常数，这里取k 一0 8 8 5 。将容器参数代入上述两式，分别得到液氦杜 瓦最小壁厚t = 1 0 0 1 r a m 和最小封头厚度为t = 0 8 9 r a m 。对于本系统，液氦杜瓦壁 厚为2 m m ，容器封头为平面结构，底面直径只有1 2 4 m m ，取壁厚为2 r a m ，也是 安全的。 浙江大学硕士学位论文第二章脉管制冷机冷却的小型超导磁体系统总体设计 2 6 真空泵及测量系统 由于真空绝热消除了固体导热和气体对流，被广泛的应用于各类超低温系 统。一般真空度降到l o 2 t o r r 以下，气体对流换热明显减弱，分子导热换热基本 保持不变。本系统真空度设计为o 0 1 p a ( 7 5 x l o h o r r ) ，体积为0 2 m 3 。设计过程 分以下两步： 2 6 1 真空泵的选择 主泵决定了被抽容器的极限真空度和工作真空度，通常为离真空容器最近的 那个真空泵。预抽泵用来将被抽容器从大气压力抽空到主泵能够开启工作的压 力，一般预抽泵同时兼作前级泵使用。 。p r e s s u r er a n g eo fv a r i o u sp u m p a 选主泵 图2 7 各真空泵抽真空的的压力范围 选主泵要考虑两个方面，一是选择主泵的类型，二是确定主泵抽速的大小。 主泵类型的依据是根据被抽容器所要求达到的极限真空度和工作真空度，及被抽 气体的种类，每种气体所占的比例以及气体中所夹杂的灰尘情况，同时还要兼顾 经济指标。图2 7 给出了各类泵抽真空的压力范围。由图可见，油扩散泵及涡轮 分子泵都能达到本系统的要求。考虑操作的简单性及经济指标，最后暂定选择涡 轮分子泵。 主泵的类型选定之后，接下来就是要具体地确定主泵抽速的大小规格。主泵抽 速大小的确定主要根据被抽容器的工作真空度和其最大排气流量，以及被抽容器 浙江大学硕士学位论文第二章脉管制冷机冷却的小型超导磁体系统总体设计 的容积和所要求的抽气时间。对于本系统，真空室内排气流量主要包括内表面解 析出来的气流量口，及通过各密封连接处泄漏到真空室的气流量口，： q-q，+岛(2-10) 真空室内表面包括不锈钢真空室内壁面、冷屏铝表面及液氦铜容器的外壁 面。文献嘲给出了几种材料单位面积的气体排出量，见表2 3 。 表2 3 抽真空l o 小时后单位面积的气体排出率( # p a j n s ) 材料 不锈钢铝铜 排出率 2 73 33 1 0 注：铜的气体排出率只有抽空1 小时的排气率为3 1 0 0 # p a , n l s ，1 0 小时的排气率估算为 3 1 0 d a n s 本系统，不锈钢真空容器直径为0 5 6 6 m ，高0 7 6 m ，内表面积为： 以