[发明专利]一种传导冷却超导磁体的两级G-M制冷机导冷结构

说明书

本发明公开一种传导冷却超导磁体的两级G‑M制冷机导冷结构，G‑M制冷机的两级冷头均位于一个独立小腔中，腔中封存有高纯氦气，室温氦气通过一级冷头换热器预冷后在小腔中形成对流，在二级冷头换热器附近液化。独立小腔包括可伸缩波纹管，一级薄壁筒，一级外锥体，二级薄壁筒和二级热沉。冷头需要维护或者更换时，只需将冷头拔出即可，而不用破坏超导磁体的夹层真空。在超导磁体降温的初级阶段，制冷机一级冷头和二级冷头都处于氦气氛围中，加速二级热负载的降温速度。在磁体降温的末期，部分氦气已经液化成液氦，氦气的对流传热效应减弱。一级冷头通过一级内外锥体将冷量传递给冷屏等部件，实现磁体和冷屏部件温度的分离。

技术领域

本发明涉及超导磁体低温结构技术领域，尤其涉及一种传导冷却超导磁体的两级G-M制冷机导冷结构。

背景技术

目前低温超导磁体降温方式多由制冷机直接传导冷却降温，或由液氦等低温介质辅助冷却降温。液氦浸泡超导磁体温度均匀，降温时间快，但同时也有液氦成本高、低温系统安全风险高等缺点。传导冷却超导磁体便携性好，结构紧凑，但也有磁体与制冷机冷头间存在温差，降温时间长，冷头维护困难等不足。目前医用磁共振成像(MRI)超导磁体，核磁共振(NMR)超导磁体，加速器超导磁体，多为液氦浸泡方式降温冷却。由于氦资源的紧缺性，国内一些单位已经开始着手研制传导冷却的MRI、NMR超导磁体。

目前商用GM制冷机冷头平均维护保养的周期约在10000小时，对于传统传导冷却超导磁体冷头维护保养操作难度高，制冷机冷头与磁体和冷屏的连接形式决定了超导磁体颈管处的装配性和维修性较差。此外，对于大多数传导冷却超导磁体，一级冷头的热负载的降温速度要高于二级冷头的热负载的降温速度，如何在降温初期将一级的冷量充分用于冷屏和磁体的降温冷却，而在降温末期将一级的冷量与二级有效断开也是一大难题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出一种传导冷却超导磁体的两级G-M制冷机导冷结构。该方案的特点在于G-M制冷机1的两级冷头均位于一个独立小腔中，腔中封存有高纯氦气(纯度较高的氦气，通常纯度在99.999％以上)，室温氦气通过一级冷头换热器预冷后在小腔中形成对流，在二级冷头换热器液化。

按照上述技术方案，独立小腔包括可伸缩波纹管2，一级薄壁筒3，一级外锥体5，二级薄壁筒6和二级热沉8。

按照上述技术方案，G-M制冷机1与一级内锥体4、二级冷凝器7通过螺钉连接为一个整体后装入小腔中，通过给可伸缩波纹管一定轴向预紧力保证一级内锥体4和一级外锥体5之间的贴合、压紧。二级冷凝器与二级热沉之间留有间隙。

超导磁体开始降温后，通过单向阀和安全泄放阀的配合向小腔中注入定量的高纯氦气，超导磁体意外失超时，液氦挥发，产生的氦气通过安全泄放阀排出，不会对小腔的薄壁结构产生破坏。进一步地，可以根据薄壁筒的承压能力以及氦气遇冷收缩和受热膨胀引起气压变化值计算出一个最优的氦气灌装量，保证磁体失超时小腔不会损失额外的氦气，即整个磁体降温过程中无需额外的补气操作。

传导冷却超导磁体系统包括真空容器11，冷屏12，屏蔽线圈13，主线圈14，二级导冷带15和一级导冷带16。

二级导冷带15一端与二级热沉8连接，另一端与屏蔽线圈13和主线圈14相连，作用是将二级热沉8的冷量传递给磁体线圈；一级导冷带16一端与一级外锥体5连接，另一端与冷屏12相连，作用是将一级外锥体5的冷量传递给冷屏12。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

冷头需要维护或者更换时，只需将冷头拔出即可，而不用破坏超导磁体的夹层真空。