制冷機冷卻型超導磁體杜瓦的研制

摘 要：杜瓦的本質就是一個能夠把內部的低溫液體與外界熱量隔斷，從而實現貯藏低溫液體的絕熱容器。超導磁體杜瓦在強磁場、高真空以及深低溫的環境中應用廣泛，而效率高、安全性能好且結構緊湊是制冷機冷卻型超導磁體系統的突出優勢。文章主要從制冷機冷卻型超導磁體杜瓦的結構與工藝特點入手，著重分析了超導磁體杜瓦的研制時的漏熱與絕熱措施。

關鍵詞：制冷機；超導磁體；杜瓦；真空絕熱

1 制冷機冷卻型超導磁體杜瓦的結構及特點

1.1 制冷機冷卻型超導磁體杜瓦裝置的結構

超導磁體制冷機冷卻型杜瓦裝置的結構是采用制冷機冷卻冷屏及揮發的氦氣、多層絕熱輻射屏以及雙層杜瓦方式的絕熱系統（圖1）。該裝置在內外杜瓦之間設置制冷機冷卻冷屏，用于吸收外界高溫物體的產生的輻射熱量，從而使向內部低溫物體的輻射傳熱減小。制冷機冷卻冷屏與外杜瓦壁間的真空夾層則運用多層雙面鍍鋁聚酯薄膜（超級隔熱膜）構成多屏絕熱屏。這種多層絕熱輻射屏層密度較小，而且內杜瓦的頸管與每層的輻射屏可進行熱連接，既能起到有效遏制室溫輻射的作用，還可以帶走熱量將揮發的氦氣再次冷凝成液氦，具有良好的絕熱性能。

1.2 制冷機冷卻型超導磁體杜瓦裝置的工藝特點

1.2.1 該裝置的雙層杜瓦以及法蘭均采用不銹鋼材料制作，并采用氬弧焊焊接。液氦杜瓦和外層真空杜瓦在焊接完成之后，前后都需要進行氦質譜真空檢漏測試，檢查出焊接漏點進行補焊并再次檢漏，保證總漏率符合5×10-8mbarl/sec的標準。

1.2.2 制冷機冷卻型超導磁體杜瓦裝置的真空夾層須嚴格根據標準進行抽空。由于絕熱層具有非常大的抽氣阻力，加之絕熱材料的放氣，更加大了抽氣難度，因此可采用邊抽真空邊加熱進行緩慢抽氣的方法，使夾層真空度控制在1×10-3Pa附近。對于容積較大的杜瓦需要進行氮氣洗凈作業從而保證吸附氣體及水汽能夠徹底被排出。

1.2.3 該裝置的絕熱結構采用無氧銅-純鋁結構的輻射冷屏與真空多層絕熱相結合的絕熱結構，同時將揮發的氦氣收集管設置在冷屏外壁上直接與制冷機冷頭接觸連接，最大程度上提高了冷卻效率。

1.2.4 采用雙面鍍鋁聚酯薄膜制作真空多層絕熱層，層數60層，并適時進行灰塵的清潔，有效避免熱輻射和熱短路現象發生。

2 制冷機冷卻型超導磁體杜瓦裝置采用的絕熱技術措施

2.1 夾層真空度的控制

液氦是超導磁體理想的冷卻劑。杜瓦內灌注液氦后，原來杜瓦內除氦氣之外的剩余氣體均被凍結，從而提高了夾層內部的真空度。而夾層內部的氦氣含量是達到設計時要求的真空度的關鍵所在。因此，運用夾層真空抽氣管反復抽空夾層并多次放入高純氮氣2-3次，從而使夾層空間的空氣和水汽得到充分的沖洗，最后在抽空以后將抽氣口封住，這是控制夾層真空度最為有效的方法。

2.2 降低物體表面的發射率

降低物體表面的輻射能量的發射能力是一種有效的降低輻射傳熱的方法。一方面可以采用低發射率的材料（鋁、銅等）制作真空壁面或涂在其他材料的表面，通常情況下采取的是電導率較高的純金屬；另一方面還要對物體表面及時采取去除應力或進行清潔等措施。例如，降低金屬片表面的電阻，并對表面拋光，使其盡可能平坦與干凈，在裝配過程中使用手套并采用酒精或丙酮擦拭等。因此，在制造該裝置的過程中，采用不銹鋼作為雙層杜瓦的材料，并運用純銅/鋁材料制作制冷屏，還要對其表面進行拋光與清潔處理。

2.3 設置氦氣排氣管進行熱交換

在該裝置的最低端插入輸液管末端，使裝置能夠與蒸發后的冷氦氣進行熱交換，使氦氣的氣化吸熱作用能夠被充分的利用。若未進行氦氣熱交換設計，在開始灌注液氦時，液氦就會極其猛烈地揮發，從而產生大量高速氦氣，將液氦沖出裝置外，從而加大了液氦的損耗量，導致液氦大量浪費。此外，為了能夠使氦氣的冷量被充分利用，將回氣管設置于端蓋的頂部，將氦氣冷量引導入杜瓦裝置中，從而與杜瓦裝置進行熱交換。

3 制冷機冷卻型超導磁體杜瓦裝置的漏熱量控制

該裝置的漏熱主要由表面積漏熱、輻射漏熱、支撐與拉桿漏熱、頸管漏熱以及殘余氣體漏熱等多個方面構成。

3.1 表面積漏熱

在超導磁體勵磁過程中，其電流引線將會承受非常大的電流，因此需要保證裝置的載流面積足夠大，能夠承受這些電流。然而載流面積過大，就會導致傳導熱的數量急劇增加，從而使漏熱量增大。這時就需要對裝置給定電流，并結合引線的長度以及高溫端與低溫端的溫度，確定適用于引線的最優的截流面積，并利用液氦蒸發后氦氣的冷量對其進行充分的冷卻，以減少漏熱。

3.2 支撐與拉桿漏熱

在超導磁體中，支撐會承受電磁不平衡力、杜瓦重量以及磁體重量等荷載。就裝置的穩定性而言，要盡可能有足夠大的截面積，但考慮到漏熱量的問題，要求截面積盡可能小。因此，裝置要在滿足穩定性的前提下，做到二者兼顧，使截面積盡量減小，從而使熱傳導隨之縮小。同時，熱傳導會隨著傳熱的溫差以及材料熱導率降低而減小，因此，該裝置的支撐材料應采用熱導率低且強度高的玻璃纖維增強塑料或碳纖維材料，并運用制冷機冷卻冷屏的冷量使支撐結構冷卻，從而減少支撐與拉桿的漏熱。

3.3 輻射漏熱

由熱傳導的原理可知，當超導磁體杜瓦裝置的真空夾層抽氣之后形成高真空時，主要漏熱源則是輻射漏熱。在真空夾層內設置多層絕熱或者防輻射屏，是降低夾層中輻射漏熱的有效途徑。本裝置中采用純銅/鋁板（厚度3mm，純度在99.5%以上）作為反射屏與防輻射屏的材料。此外，對于裝置的頸管漏熱，可采取增設輻射擋板或者對頸管進行噴砂或氧化處理，從而有效減少頸管口導入大量輻射熱而引起的頸管漏熱，使制冷機冷卻型超導磁體杜瓦裝置的蒸發率降低。

參考文獻

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