制冷机冷却型超导磁体杜瓦的研制

　　本文介绍了带制冷机冷却的超导磁体系统杜瓦的设计、制作及实验结果分析。杜瓦采用40K、10K双制冷屏结构，其室温磁场孔径为Φ75㎜，长415㎜。试验结果为：液氦蒸发率为0.69升/天（在20天连续试验期内），优于合同规定的指标（2.4升/天）。双制冷屏由一台双级G-M制冷机冷却，工作时一级冷屏温度为35K，二级冷屏温度为7.0K。磁体系统的磁场强度为3T，满足了用户的使用要求。

1、引言

　　超导磁体在磁共振成像（MRI）、加速器、托卡马克装置等设备中得到了广泛的应用。采用超导磁体与普通电磁体比较，装置体积减小为后者的1/5，重量为1/10。制冷机冷却型超导磁体系统具有运行维护方便、结构紧凑、安全性好、效率高、长时间运行不需补液等优点，受到广泛关注。所以，用制冷机冷却制冷屏的低蒸发率超导磁体杜瓦就成为超导磁体走向工业应用迫切需要解决的问题。

2、主要技术指标

 液氦冷却超导磁体，液氦温度为4.2K+0.2K。

 液氦蒸发率<0.1升/小时（2.4升/天），补液周期>20天。

 室温孔径>Φ73㎜, 室温孔轴向长度<415㎜。

 杜瓦颈管直径Φ50㎜，配1/2"（输液口）、3/4"铜球阀（可拔引线口）各1个。

3、总体结构设计

3.1、液氦筒容积的确定

　　根据技术指标第2条的要求，液氦筒的最小贮液量应为：

V=0.1升/小时×24小时×20天=48升

　　假设液氦筒贮液率按其容积80%计, 液氦筒的设计空容积为V 设计=60升。

3.2、杜瓦液氦筒的结构设计

　　根据磁体的结构特点及安装位置，将液氦筒设计成大、小各一个，大液氦筒在上部，小液氦筒在下部，它们都由无磁不锈钢板卷制而成。大、小液氦筒之间用两根无磁不锈钢管连接，大、小液氦筒的轴线相互垂直。超导磁体被封装在小液氦筒中，引线从大、小液氦筒之间的接管中引出至可拔插座。为了增大，大液氦筒的有效贮液量，超导磁体的可拔插座等磁体接线部分放置在大液氦筒的上部，可拔引线插杆、输液管等都从此插入或拔出。

　　颈管采用Φ50不锈钢薄壁管制作,为防止低温应力,在大液氦筒与颈管之间加装一段不锈钢波纹管。一则可以起到低温补偿，二则增加热传导距离，减少颈管的固体传导。为了使第一次输液氦时，液氦能够先预冷超导磁体。在小液氦筒内部预装一根Φ10的不锈钢波纹软管，一端引入小液氦筒底部,另一端与大液氦筒底部的喇叭口相连。输液时，输液管直接插入喇叭口, 液氦直接流入小液氦筒冷却超导磁体。大、小液氦筒通过非金属拉杆，固定在外筒的上法兰上。3.3 10K、40K双冷屏的结构设计10K、40K双制冷屏采用紫铜制作。为了保证热传导良好，冷屏各连接处采用铜氩弧焊，其焊缝质量与不锈钢氩弧焊基本相同。10K冷屏与制冷机二级冷头相连，40K冷屏与制冷机一级冷头相连。10K冷屏通过非金属拉杆和圆锥支撑固定在40K冷屏上，40K冷屏通过非金属拉杆和圆锥支撑固定在外筒上。图1为杜瓦总体结构示意图。

图1 杜瓦总体结构示意图

3.4、制冷机的安装

　　本装置选用的制冷机其制冷量为：一级31W/40K，二级1.1W/6K。制冷机垂直置于杜瓦上法兰上,通过接口法兰连接,有利于制冷机正常、可靠的工作。一级冷头刚性连接，通过外径Φ125、内径Φ90的铜环与一级冷屏相连。二级冷头柔性连接，采用紫铜编织绳与二级冷屏相连。

3.5、杜瓦内部温度计的安装、布置

　　为了准确了解制冷机冷头与冷屏的热传导及冷屏的温度分布情况，安装了5支温度计，分别装在磁体、二级冷头、二级冷屏、一级冷头、一级冷屏上。温度计与冷头、冷屏接触处垫铟片，尽量减少由于安装引起的测量误差。

4、杜瓦的装配、包扎、制作

4.1、杜瓦零部件加工准确

　　由于杜瓦夹层空间有限，特别是安装超导磁体的小液氦筒部分间隙很小，在很小的间隙内要保证各部件之间不形成热短路，各部件制作后的尺寸必须准确。零部件在正式装配前必须进行预装配。

4.2、杜瓦多层绝热材料包扎原则

　　多层绝热包扎材料选用单面镀铝涤纶薄膜。包扎的原则是：间隙大的地方多包扎一些，间隙小的地方少包扎一些，个别地方因为需要焊接，可以不包扎多层绝热材料，表面抛光处理。

4.3、杜瓦磁体内孔与室温管孔同心度的保证措施

　　磁体内孔与杜瓦室温管孔有同心度要求，在两层冷屏之间设计了6个环状支撑，确保磁场中心处在室温管轴中心上。

4.3、杜瓦装配时的整体检漏

　　液氦筒部件在包扎前，及杜瓦组装完毕后经过氦质谱检漏仪整体检漏。保证漏率<1×10-9Pa·M3/S。

4.4、杜瓦的抽空、排气

　　杜瓦夹层真空处理采用整体加热，控制一级冷屏的温度在60ºC左右，并用氮气置换、脱水，连续24小时不间断抽空，真空度达到1×10-3Pa以上后封结。