[发明专利]用于低温恒温器中热辐射防护屏的改进型预冷的设备

说明书

技术领域

本发明涉及用于保持例如超导磁线圈等冷却装备的低温恒温器。确切地说，本发明涉及用于减少从处于较高温度的低温恒温器组件到达致冷剂器皿的热量的真空腔室和辐射热辐射防护屏，且尤其涉及用于在将工作致冷剂引入致冷剂器皿中之前初始冷却热辐射防护屏的冷却布置。

背景技术

图1绘示一种包括一致冷剂器皿12的常规低温恒温器布置的横截面示意图。在致冷剂器皿12内提供一冷却的超导磁体10，所述致冷剂器皿12自身通过此项技术中已知的悬挂布置保持在一外部真空腔室(OVC)14内，但图中未绘示所述悬挂布置。在致冷剂器皿12与外部真空腔室14之间的真空空间中提供一个或多于一个热辐射防护屏16。在一些已知的布置中，将一致冷器17安装在一致冷器保护套(sock)15内、朝向低温恒温器一侧，所述致冷器保护套15位于一专用的架台18内。或者，致冷器17可位于入口架台19内，架台19保持安装在低温恒温器顶部的入口颈部(通风管)20。致冷器17提供有源致冷，以冷却致冷剂器皿12内的致冷剂气体，在一些布置中，是通过将气体再冷凝成液体。致冷器17也可用于冷却热辐射防护屏16。如图1所说明，致冷器17可以是一种两级致冷器。第一冷却级以热的方式连接到辐射热辐射防护屏16，并用于冷却到第一温度，通常在50到100K的区间内。第二冷却级用于将致冷剂气体冷却到低得多的温度，通常在4到10K的区间内。

通常通过低温恒温器的机身向磁体10提供一负电连接21a。通常由穿过通风管20的导体提供一正电连接21。

如此项技术中众所周知的，当首先从环境温度冷却此类低温恒温器时会出现难题。一个选择是简单地向致冷剂器皿中添加工作致冷剂，直到致冷剂器皿和磁体稳定在工作致冷剂的温度时为止。虽然此种做法可能在使用廉价无污染、实质上不会耗尽的致冷剂(比如液氮)时是可接受的，但对于生产或重新液化成本相对较高而且是有限资源的工作致冷剂(比如氦)来说，则此方法被认为不可接受。

当从环境温度将低温恒温器冷却到氦的温度时，已知先通过其它手段将低温恒温器预冷到第一致冷剂温度，然后最终通过添加液氦将低温恒温器冷却到操作温度。将致冷剂器皿预冷到第一致冷剂温度的一种常规方法涉及首先将廉价的牺牲性致冷剂(通过是液氮)添加到致冷剂器皿中。接着将低温恒温器搁置一段时间以待温度稳定。这可称为“浸泡”。接着，允许致冷剂器皿的温度上升到牺牲性致冷剂的沸点以上，以便确保在添加工作致冷剂之前从致冷剂器皿中彻底移除牺牲性致冷剂。

虽然致冷剂器皿的材料本身在添加了致冷剂后会迅速冷却，但热辐射防护屏16的冷却会出现问题。在使用时，在氦冷却系统中有单个热辐射防护屏的情况下，必须将这些热辐射防护屏冷却到通常约50K。必须使热辐射防护屏与致冷剂器皿12和OVC14两者都热隔离，以便在操作条件下时减少从室温OVC到致冷剂器皿的热通量。当对低温恒温器进行预冷时，将热辐射防护屏热隔离，可防止在将致冷剂引入致冷剂器皿后防护屏快速冷却。

已知的对热辐射防护屏16进行预冷的方法包括：操作致冷器17以冷却热辐射防护屏，或通过操作一定量的气体来“软化”(soften)OVC与致冷剂器皿之间的真空，因而允许通过到致冷剂器皿的对流热传递来冷却热辐射防护屏。现在将论述这些方法中的每种方法。

1)操作致冷器17以冷却热辐射防护屏。这样做有以下缺点：致冷剂器皿内的所有牺牲性致冷剂都需要事先被移除，因为不这样的话，牺牲性致冷剂将在致冷剂器皿中液化或冻结。在已知的方法中，用氮来预冷致冷剂器皿，允许将致冷剂器皿加热到超过氮的沸点的温度以确保不剩余液氮，然后用气态氦冲洗致冷剂器皿，接着抽真空以确保不剩余污染物，然后再打开致冷器。接着，致冷器以约1K每小时的速率冷却热辐射防护屏。

2)“软化”OVC与致冷剂器皿之间的真空。这样做将允许通过对流进行某种程度的导热，从而允许将热量从热辐射防护屏传递到致冷剂器皿，在致冷剂器皿中，通过使牺牲性致冷剂沸腾来移除热量。一旦已将工作致冷剂添加到致冷剂器皿中，便可通过辐射来进一步冷却热辐射防护屏。已经发现真空软化会在致冷剂器皿中充满液氮时将热辐射防护屏快速冷却到约150K。通常在允许致冷剂器皿加热到80K以确保在填充液氦工作致冷剂之前移除所有液氮时的阶段期间，热辐射防护屏会加热到200K。接着使用致冷器将热辐射防护屏从200K冷却到50K。这个过程费时大约6天，在此时间期间，通常有大约200升的液氦被蒸发掉，市价为约400英镑(约800美元)。