热物理在超导磁体中的应用AA

热物理在超导磁体中的应用袁金辉2014.06热力学基本定律低温流体特性低温与超导低温物性传热基本方式及原理超导磁体低温保持器超导MRI用低温制冷机超导磁体冷却和降温超导磁体低温设计要点主要内容热力学基本定律低温流体特性低温与超导低温物性传热基本方式及原理超导磁体低温保持器超导MRI用低温制冷机超导磁体冷却和降温超导磁体低温设计要点热力学第零定律-热平衡、温度、温度测量1.可以通过使两个体系相接触，并观察这两个体系的性质是否发生变化而判断这两个体系是否已经达到热平衡。2.当外界条件不发生变化时，已经达成热平衡状态的体系，其内部的温度是均匀分布的，并具有确定不变的温度值。3.一切互为平衡的体系具有相同的温度，所以一个体系的温度可以通过另一个与之平衡的体系的温度来表示，也可以通过第三个体系的温度来表示。绝热壁导热壁温度的定量及温标热力学第一定律----能量守恒与转换定律自然界一切物体都具有能量，能量有各种不同形式，它能从一种形式转化为另一种形式，从一个物体传递给另一个物体，在转化和传递过程中能量的总和不变。热力学第一定律是对能量守恒和转换定律的一种表述方式闭口系：ΔU=U2-U1=Q-W；Q=ΔU+W开口系：Q=ΔH+Δmv2/2+mgΔz+W热力学第二定律—能量贬质不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，或不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响。苹果可以自由落体到地面；但不可能自发从地面重回手中，除非需要人捡起来，捡的过程需要做功。打桌球时，人可以依靠一杆发球把整齐的球打散，却不可能一杆把全桌散乱的球打回整齐排列的状态。即热量总是自发地从高温热源流向低温热源对于热量来讲，温度越高，品质越高对于冷量来讲，温度越低，品质越高寒冷的冬天人们喜欢呆在温度较高的暖和地方炎热的夏天人们喜欢呆在温度较低的凉爽地方？热力学第二定律----能量品质热力学第三定律----0(K)可欲不可求在任何自发过程中，熵总是增加，在绝热可逆过程中，熵等于零。在绝对零度（－273.16℃），任何完美晶体的熵为零；称为热力学第三定律。绝对零度不可达到，这个结论称做热力学第三定律现代科学可以使用绝热去磁的方法达到5×10-10K，但永远达不到0(K)但它鼓励人们想方设法尽可能接近绝对零度（－273.16℃）T(K)=T(℃)+273.16物体温度可以到-300℃说法对否？物体温度可以到-10K说法对否？

0K能量守恒与转换定律之超导磁体升降场电缆（电流引线）电能=UIt磁能＝LI2/2焦耳热=I2Rt升场降场磁能＝LI2/2焦耳热=I2Rt磁体线圈上述焦耳热通过空气对流，传热到周围环境中。电源/（卸能电阻）能量守恒与转换定律之超导磁体失超1磁能＝LI2/2热能＝I2Rt液氦沸腾换热1.5T磁体总电感L30.2HLHe汽化潜热汽化显热4K容器顶部氦气温度总磁能Q4.24MJ1.73MJ6.75K满场530A失超

LHe

970L2.51MJ121kg磁体线圈根据理论计算，失超时线圈温度最高可达80K，此时与液氦发生什么换热现象？在载流能力及背景场强已确定的情况下，微小的热量～10-3J(mJ)将导致线圈的迅速温升，直至T>Tc，线圈失超。这是因为在4.2K温区超导线的比热非常小（~10-4J/g.K)。Q=m.Cp.ΔΤ=m.Cp.(T-4.2)1mJ的能量是多少？？？？1瓦的灯泡工作0.001秒能量守恒与转换定律之超导磁体失超2热量-功-内能的单位：焦耳1公斤1公斤0.1米，10厘米1J（焦耳）如果用时1s，那么平均功率就是1W超导磁体失超时的沸腾换热核态沸腾曲线最大核态沸腾热通量膜态沸腾曲线最小膜态沸腾热通量超导磁体失超时的沸腾换热热力学基本定律低温流体特性低温与超导低温物性传热基本方式及原理超导磁体低温保持器超导MRI用低温制冷机超导磁体冷却和降温超导磁体低温设计要点常见低温流体特性常见低温流体特性LHe----危险品国际代码UN1963低温冷冻液体非易燃无毒气体窒息性气体无色无味危险品类别2.2价格昂贵、特殊商品储存？运输？包装？Density:125g/litreat4,2KHeatofevaporation:Lvap=20,7J/gverylow1wattevaporates1.4L/hourliquid(65timesmorethannitrogen)Correspondenceliquid/gas:1Lliquid750LgasNTPtripleHelium物性Helium物性---比热Helium物性---粘性、热导率、普朗特数LHe@4.2K的瞬态传热热力学基本定律低温流体特性低温与超导低温物性传热基本方式及原理超导磁体低温保持器超导MRI用低温制冷机超导磁体冷却和降温超导磁体低温设计要点低温物理与超导1低温物理与超导2低温物理与超导3超导体实现超导三要素：T-温度<TcJ-电流密度<JcB-磁场强度<Bc一类超导材料二类超导材料-LowTc二类超导材料-HighTc热力学基本定律低温流体特性低温与超导低温物性传热基本方式及原理超导磁体低温保持器超导MRI用低温制冷机超导磁体冷却和降温超导磁体低温设计要点材料在低温下的热收缩率材料在低温下的热收缩率-续纯金属（Cu）的热导率随温度变化曲线纯金属（Cu）的电阻率随温度变化曲线不同材料热导率合金材料电阻率各种低温用材料的比热对于脆性材料:σu≈σy;对于易延展材料:σu>σy4K4K各种低温用材料机械性能Table2.9showsthefigureofmeritforseveraldifferentmaterialsasafunctionoftemperature.NotethatthehighestFOMisforG-10compositeduetoitsrelativelyhighstrength.Ontheotherhand,clearlypurecopperisnotsuitableforstructuralapplications.4K各种低温用材料机械性能热力学基本定律低温流体特性低温与超导低温物性传热基本方式及原理超导磁体低温保持器超导MRI用低温制冷机超导磁体冷却和降温超导磁体低温设计要点热量传递的基本方式对流导热辐射传导常见材料热传导属性对流1Q=hAΔΤ真空层的气体导热4K容器内的沸腾换热制冷机降温冷却对流换热液氦蒸发排气时对流换热对流2真空层气体导热1真空层气体导热2辐射1辐射2辐射3-MLI热力学基本定律低温流体特性低温与超导低温物性传热基本方式及原理超导磁体低温保持器（恒温器）超导MRI用低温制冷机超导磁体冷却和降温超导磁体低温设计要点人体正常体温平均在36～37℃之间（腋窝），超出这个范围就是发热，38℃以下是低热，39℃以上是高热。正常人的体温相对恒定的，人体内有一套产热和散热的自动调控装置，它由下丘脑的体温调节中枢和皮肤、内脏的许多温度感受器组成。当人感到冷或热时，信号由神经系统传入，下丘脑的体温调控“司令部”很快下达指令，使有关系统如肌肉、内脏器官、皮肤、毛细血管、汗腺等全部启动起来，各司其职，有序地进行体温调控，尽量使体温保持在恒定范围。比如，当环境温度下降和寒冷刺激时，肌肉就会收缩发抖（打冷战），使产热增加；天热时，人体就会排汗，利用水分蒸发来散热。把温度上限“设定”在37℃，同样是进化的选择。科学家认为，是人体自身新陈代谢水平和地球环境温度之间的平衡，决定了37这一恒定体温。恒温器（体）---人体、动物38～39℃36～37℃热力学第二定律不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，或不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的功而不产生其他影响。苹果可以自由落体到地面；但不可能自发从地面重回手中，除非需要人捡起来，捡的过程需要做功。打桌球时，人可以依靠一杆发球把整齐的球打散，却不可能一杆把全桌散乱的球打回整齐排列的状态。即热量总是自发地从高温热源流向低温热源低温保持器---恒温器ImagingVolumeBore4KHeliumVessel4KColdheadPrimaryCoilActiveShieldCoil50KThermalShieldHeliumFillPortVacuumChamber300KOVC50K冷屏---低温保持器4K液氦容器---低温保持器300K容器---恒温器WhycangetZEROBoilOffby4Kcoldhead?300K50K4.2KHighTemperatureLowTemperatureHeatTransfer2ndstage:4K1ststage:<50KLowerTemperature低温保持器---传热4KvesselwithLHeQinQoutTakenby4Kcoldhead1W@4KSuppliedby50KheatsourceQin≦Qout，ZeroBoilOffQin﹥Qout，BoilOff液氦灌（4K低温保持器---恒温器）“50K”ShieldQinQoutMosttakenbycoldhead50Kstage:Qc1Suppliedby300KheatsourceQin=Qout=Qc1，Shieldtemperaturestable50K冷屏（50K低温保持器---恒温器）LHeOVC(valve)(burstdisk)HeliumVessel0-3psi(KF16blank)(close)(open)Pressuregauge0~3psi低温系统示意图1Compressor4K

ColdHeadLHeLevelCoil

Temp.TedEMRU…50K

ShieldTemp.Pressure

TransducerPressure

Heater4KMMUWaterInWateroutPowerInHeliumGasSupplyHeliumGasReturnColdHeadPowerCableZBOMagnetPressureSwitchCompressorStatus低温系统示意图2ZBOor4KmagnetdesignedboiloffrateisZEROHowtocarryout?Q1:ColdHead2ndStage(4K)CoolingCapabilityQ2:Systemstablized:

PressureHeaterAveragePower

Q3:

systemstablized,Q1=Q2+Q3

Q2=Q1-

Q3ReconMargin(Re-condensingMargin)ZeroBoilOffand4KVesselQ1Q3LHeColdHead2ndstage(4K)Q2ColdHead1ststage(50K)HeaterMagnetPressure:0~3psig50KThermalShieldHeatloadtoHeliumvessel,Conduction,ConvectionandRadiation,Andothers(heatloadfromnecktubeandunisock,Suspensionrod…)

OnlyifQ1≥Q3,BoiloffratecanbeZEROZeroBoilOff（零蒸发原理）热力学基本定律低温流体特性低温与超导低温物性传热基本方式及原理超导磁体低温保持器（恒温器）超导MRI用低温制冷机超导磁体冷却和降温超导磁体低温设计要点制冷系数：ε=Qc/W=1W/6.5KW=1/65001W@4K压缩机输入功率~6.5KW低温制冷机工作示意图对于热量来讲，温度越高，品质越高对于冷量来讲，温度越低，品质越高寒冷的冬天人们喜欢呆在温度较高的暖和地方炎热的夏天人们喜欢呆在温度较低的凉爽地方？能量品质能量品质热量-功-内能的单位：焦耳1公斤1公斤0.1米，10厘米1J（焦耳）如果用时1s，那么平均功率就是1W热力学基本定律低温流体特性低温与超导低温物性传热基本方式及原理超导磁体低温保持器（恒温器）超导MRI用低温制冷机超导磁体冷却和降温超导磁体低温设计要点超导磁体冷却磁体如何从300K冷却至77K（LN2温区）？磁体如何从300K冷却至4K（LHe温区）？在冷却过程中如何降低能耗以及节省低温液体的使用需考虑：常见流体冷却温区常见流体汽化潜热低温流体冷量利用汽化潜热（潜热＋显热）物理实验室常规降温方法降温（冷却）----移除物体内储存的热量超导磁体冷却－低温制冷机传导冷却不消耗低温液体及气体；只消耗电能；不方便更换冷头，如需更换