脉管制冷机冷却小型超导磁体系统的方法分析

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1、浙江大学硕士学位论文第1章绪论1996年，英国牛津仪器公司给香港大学提供了商品化的制冷机冷却的低温超导磁体系统，该系统是由NbTi和Nb3Sn组合的超导磁体，在4．2K下试运行到10T。正常运行工作电流为120A，中心磁场强度为9T。同年，美国海军将制冷机直接冷却的超导磁体系统用于扫雷装置【12～41。1998年，住友公司报道了他们研制的制冷机冷却的15T磁体系统【15—61。采用两台4K级G．M型制冷机冷却。其室温孔径为52rnm，由四个Nb3Sn线圈和一个Nbn线圈组成，用了两对高温超导电流引线。虽然低温超导材料已达到了在小型制冷机冷却超导磁体

2、系统中的应用要求，但必须在液氦温区下才能维持超导状态。所以，人们在应用低温超导材料的时候就开始探索高温超导材料，希望能找到一种导电好而导热差的材料来代替低温超导材料。图1．110T／100mmG-M制冷机直接冷却的超导磁体系统1986年，瑞士苏黎世实验室贝德诺慈(J．GBednorz)和谬勒(K．A．Muller)发现了LaBaCuo的超导体(临界温度30K)，为高温超导研究揭开新的一页。到目前为止，已经发现了一系列新型高温超导材料，其中在液氮温区可能投入应用的主要有Y系、Bi系、11系和rig系四个系列。目前发现的高温超导材料，在液氮温度下的电流

3、密度还不高，而且随着磁场的增加而迅速降低。不过实验表明，高温超导材料在低于20K的强磁场下仍可以通过很高的电流，这是高温超导材料与低温超导材料相比的优点【17-201。因此，在现有的制冷机条件下，采用制冷机直接冷却高温超导磁体仍是首选技术措施。用来冷却超导磁体系统的小型制冷机主要有G-M型制冷机和脉管制冷机。3浙江大学硕士学位论文第l章绪论G．M制冷机由于发展较早，技术比较成熟，现在商用的G．M制冷机二级冷头已可提供：．sw@49的制冷量，同时一级冷头还有40W@40K的制冷量【2ll。商业G-M制冷机被广泛的应用于各类低温系统中，很早就开展了用G

4、-M制冷机直接液化氦气的研究伫2】。G．M制冷机利用低温下的位移器来调节流量与压力的相位，虽然提高了制冷效率，但由于位移器的存在使得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，就必须通过软连接来冷却磁体，这样冷头离开磁体一定的距离，增大了装置的尺寸鲫。同时，冷端位移器限制了G．M制冷机的寿命，一般为10000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制冷机的进一步应用。脉管制冷机低温端无运动部件，具有高可靠性、结构简单、低振动、受磁场影响小等优点，其应用前景非常广阔，相比于G-M制冷机脉管寿命延长一倍，其二级

5、冷头振动小于1．5×10"49[“1。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瞵】。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甚至超过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，在单级脉管制冷机方面邱利民老师带领的实验小组已获得了11．IK的最低温度，双级最低温度达到2．3K，处于国际先进行列。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闭。通过回热器预冷，从室温用脉管制冷机直接液化氦

6、气已经取得了每天4．8L的水平阿。表1．1对近年来文献报道的一些制冷机冷却超导磁体系统进行了整理【2羽。表1．1制冷机冷却的低温超导磁体的研究情况室温孔径，报道制冷帆类型及线圈内经中心场强fry导线类型用途研制单位工作电流(A)年份数目(nlm)美国、加拿大960，O．5，65Nb3Sn恻GE19952台oM机美国多家单位联，l柏．44．弱／147m扫雷系统19962台西M机‘4K)合o．5／158Nbn删GE1998G-M机加拿大Victoria大203／2532．5，1籽Nbn20∞l台G-M机学先进激光5．能9lN哳美国LBL实验室2∞I光源

7、系统4浙江大学硕士学位论文第1章绪论续前表离子回旋32／57．3粤5

8、蚋5N师共振项目Cryomagnetics2∞l脉管制冷机预研欧洲中问试验75／蝴N嘶磁分离装牛津仪器公司19961台G-M机置NbSn／9／120商品牛津仪器公司1996N娟，732．8／120Nb3Sn德国吉森大学1993脉管制冷机2“l“商品牛津仪器公司20021台G-M机30，lo／120商品牛津仪器公司200252，5，35Nbn～般用途德国吉森大学2004脉管制冷机中国中科院电工研究3n，60S，98．2N嘶～般用途19991台O-M机所lO叫“115啪一般用途中国科

9、学院2004l台G_M机日本2台G-M机(4l(，180／2156，128N娟一般用途东芝公司199420K)Nbsn，2