G-M制冷机冷却的超导磁体研制及性能试验

　　针对超导磁体液氦易挥发、需要不断补充的问题,为研制的超导磁体加装了G-M制冷机. 为了使磁体漏热量与制冷机的两级制冷量相匹配,对系统液氦和液氮温区的传导漏热、辐射漏热和对流漏热3种热载荷进行了计算,对制冷机单独进行了制冷量和最低温度的测试,结果表明磁体漏热量与制冷机制冷量相匹配. 制冷机与磁体杜瓦装配后用制冷机冷却磁体, 5d时间将磁体温度冷却到4.2K. 向磁体输入液氦并励磁, 3d时间内超导液面计数值下降不明显,表明磁体可实现自供液氦和零蒸发,装置在无补液情况下可长期运行.

　　通常低温超导磁体采用液氦来提供和保持超导线圈所需的低温,用液氮来冷却防辐射冷屏,系统的液氦蒸发率较高,操作较为复杂. 为了降低液氦蒸发率提高磁体使用时间,一种办法是采用绝热好的真空杜瓦减少漏热,另一种办法是采用制冷机来冷却防辐射冷屏和液化氦气. 研制了一套用于钠金属电磁泵的超导强磁装置,属于大口径、高场强磁体,中心场最大磁感应强度达到5T. 若磁体采用液氦直接浸泡,则由于磁体杜瓦漏热、电流引线导热等原因导致液氦蒸发率较高,需要不断补充液氦以防止磁体失超,给运行带来很大麻烦. G-M两级制冷机可以将温度分别冷却到液氮和液氦温度:一是冷却防辐射冷屏,将冷屏温度维持在合理低温;二是将蒸发的氦气冷凝为液氦,从而减少液氦蒸发率,延长磁体使用时间.

1、系统设计与研制

　　该系统的主要技术指标为: 磁场室温孔Φ150mm ×600mm,中心场磁感应强度0 ～5 T连续可调. 系统由超导磁体、液氦杜瓦、低温制冷机、励磁电源、超导氦液面计、失超保护系统、数据采集系统等组成,磁体结构示意图如图1所示.

图1　超导强磁装置结构示意图

　　超导磁体的研制是整个系统中比较关键的一步,分为磁体设计、短样测试、磁体绕制、VPI固化、励磁与失超锻炼等步骤 . 该磁体所用的超导线为西北有色金属研究院生产的NbTi线,裸线线径为0.735mm, 镀漆后的线径0.805 mm, 铜超比为1.6∶1. 经过短样测试,股线在磁场为5T、温度为4.2K时临界电流Ic为484A. 磁体线圈匝数为21269匝,磁体设计常数为393.7G/A,电感40H,储能224kJ.

　　磁体绕制时加3.5kg的预紧力,以防止绕线松动,克服周向电磁力的影响. 绕制完成后,经过VPI工艺(真空压力浸渍)用环氧树脂浸渍磁体,又在磁体最外面缠绕10层0. 8 mm的钢丝加以固定,达到固化磁体的目的. 之后将磁体浸泡在广口实验大杜瓦的液氦中进行励磁实验,磁体经过10次励磁锻炼,第10次在通电电流为97A的情况时,磁感应强度达到4.66T. 之后再装入磁体杜瓦中与制冷机、冷屏、温度传感器、电流引线等装配到一起.

2、热载荷计算

　　由于磁体处于极低温状态,属液氦温区,磁体冷屏温度处于液氮温区,热载荷大小将决定液氦蒸发量的大小和制冷机的选型,因此计算磁体的热载荷十分必要. 在磁体的热载荷计算中,主要有真空杜瓦剩余气体漏热、传导漏热以及辐射漏热.

2.1、计算依据

1)剩余气体漏热.

　　在低温恒温器中当压力小于0.0133Pa时,气体分子从一个表面到另一个表面不会与别的分子相碰. 在此条件下,从表面1(T1)到表面2(T2)剩余气体的单位漏热量为

　　在这里:γ=Cp/Cv , R是气体常数, P是压强,M 是气体分子量,α是适用系数, 取最大值1. 若剩余气体为氦气,则式(1)可简化为

　　在试验中当Pmm为1.33×10^-4Pa, △T=10K时,剩余漏热气体为0.3μW·cm^-2.

2)传导漏热.

　　引线漏热主要是中心加热板上温度计引线和加热器引线的漏热.

3)辐射漏热.

　　辐射漏热的表达式为

　　式中:σ = 5.67 ×10^{- 12} W·cm^{- 2} ·K^{- 4} ,ε为发射率,n为防辐射喷铝涤纶薄膜层数.

2.2、液氮温区

1)传导.

　　①8根冷屏吊挂组件传导(环氧- 玻纤层状材料) : 265mm ×30 mm ×3mm,漏热: 0.25W;
　　② 4 根颈部固定环氧- 玻纤层状材料:Φ12 mm ×12 mm,漏热:小于3.4W;
　　③氦回气管(铜管): Φ4, 厚0.2 mm, 长1000 mm,漏热: 0.29W;
　　④电流引线部件漏热: 10W.

2)辐射漏热: 3.11mm ×106 mm,ε取0.1, n取5,共23. 8W.

3)对流传热: 0.24W.一级冷头漏热共37.98W,根据以上对漏热的计算,一级冷头的工作温度在40～50K.

2.3、液氦温区

1)传导.

　　①冷屏吊挂组件传导:低温下环氧热导率较低,且温差小,此项可忽略不计;
　　②2根底部支撑环氧材料:Φ12 mm ×33 mm,漏热:小于0.79W;
　　③4根颈部固定环氧材料:Φ12 mm ×30 mm,漏热:小于0. 1W;
　　④氦回气管(铜管) : Φ4, 厚0.2 mm, 长1340 mm,漏热: 0.1W;
　　⑤电流引线部件漏热: 0.5W;2)辐射: 1.93 ×106mm2 ,小于0.01W.

3)对流传热:约为0. 03W.

表1　磁体系统漏热计算结果