本文介紹了帶制冷機(jī)冷卻的超導(dǎo)磁體系統(tǒng)杜瓦的設(shè)計(jì)、制作及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。杜瓦采用40K、10K雙制冷屏結(jié)構(gòu)，其室溫磁場孔徑為Φ75㎜，長415㎜。試驗(yàn)結(jié)果為：液氦蒸發(fā)率為0.69升/天（在20天連續(xù)試驗(yàn)期內(nèi)），優(yōu)于合同規(guī)定的指標(biāo)（2.4升/天）。雙制冷屏由一臺雙級G-M制冷機(jī)冷卻，工作時(shí)一級冷屏溫度為35K，二級冷屏溫度為7.0K。磁體系統(tǒng)的磁場強(qiáng)度為3T，滿足了用戶的使用要求。

1、引言

　　超導(dǎo)磁體在磁共振成像（MRI）、加速器、托卡馬克裝置等設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。采用超導(dǎo)磁體與普通電磁體比較，裝置體積減小為后者的1/5，重量為1/10。制冷機(jī)冷卻型超導(dǎo)磁體系統(tǒng)具有運(yùn)行維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)緊湊、安全性好、效率高、長時(shí)間運(yùn)行不需補(bǔ)液等優(yōu)點(diǎn)，受到廣泛關(guān)注。所以，用制冷機(jī)冷卻制冷屏的低蒸發(fā)率超導(dǎo)磁體杜瓦就成為超導(dǎo)磁體走向工業(yè)應(yīng)用迫切需要解決的問題。

2、主要技術(shù)指標(biāo)

 液氦冷卻超導(dǎo)磁體，液氦溫度為4.2K+0.2K。

 液氦蒸發(fā)率<0.1升/小時(shí)（2.4升/天），補(bǔ)液周期>20天。

 室溫孔徑>Φ73㎜, 室溫孔軸向長度<415㎜。

 杜瓦頸管直徑Φ50㎜，配1/2"（輸液口）、3/4"銅球閥（可拔引線口）各1個(gè)。

3、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1、液氦筒容積的確定

　　根據(jù)技術(shù)指標(biāo)第2條的要求，液氦筒的最小貯液量應(yīng)為：

V=0.1升/小時(shí)×24小時(shí)×20天=48升

　　假設(shè)液氦筒貯液率按其容積80%計(jì), 液氦筒的設(shè)計(jì)空容積為V 設(shè)計(jì)=60升。

3.2、杜瓦液氦筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　根據(jù)磁體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及安裝位置，將液氦筒設(shè)計(jì)成大、小各一個(gè)，大液氦筒在上部，小液氦筒在下部，它們都由無磁不銹鋼板卷制而成。大、小液氦筒之間用兩根無磁不銹鋼管連接，大、小液氦筒的軸線相互垂直。超導(dǎo)磁體被封裝在小液氦筒中，引線從大、小液氦筒之間的接管中引出至可拔插座。為了增大，大液氦筒的有效貯液量，超導(dǎo)磁體的可拔插座等磁體接線部分放置在大液氦筒的上部，可拔引線插桿、輸液管等都從此插入或拔出。

　　頸管采用Φ50不銹鋼薄壁管制作,為防止低溫應(yīng)力,在大液氦筒與頸管之間加裝一段不銹鋼波紋管。一則可以起到低溫補(bǔ)償，二則增加熱傳導(dǎo)距離，減少頸管的固體傳導(dǎo)。為了使第一次輸液氦時(shí)，液氦能夠先預(yù)冷超導(dǎo)磁體。在小液氦筒內(nèi)部預(yù)裝一根Φ10的不銹鋼波紋軟管，一端引入小液氦筒底部,另一端與大液氦筒底部的喇叭口相連。輸液時(shí)，輸液管直接插入喇叭口, 液氦直接流入小液氦筒冷卻超導(dǎo)磁體。大、小液氦筒通過非金屬拉桿，固定在外筒的上法蘭上。3.3 10K、40K雙冷屏的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10K、40K雙制冷屏采用紫銅制作。為了保證熱傳導(dǎo)良好，冷屏各連接處采用銅氬弧焊，其焊縫質(zhì)量與不銹鋼氬弧焊基本相同。10K冷屏與制冷機(jī)二級冷頭相連，40K冷屏與制冷機(jī)一級冷頭相連。10K冷屏通過非金屬拉桿和圓錐支撐固定在40K冷屏上，40K冷屏通過非金屬拉桿和圓錐支撐固定在外筒上。圖1為杜瓦總體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 杜瓦總體結(jié)構(gòu)示意圖

3.4、制冷機(jī)的安裝

　　本裝置選用的制冷機(jī)其制冷量為：一級31W/40K，二級1.1W/6K。制冷機(jī)垂直置于杜瓦上法蘭上,通過接口法蘭連接,有利于制冷機(jī)正常、可靠的工作。一級冷頭剛性連接，通過外徑Φ125、內(nèi)徑Φ90的銅環(huán)與一級冷屏相連。二級冷頭柔性連接，采用紫銅編織繩與二級冷屏相連。

3.5、杜瓦內(nèi)部溫度計(jì)的安裝、布置

　　為了準(zhǔn)確了解制冷機(jī)冷頭與冷屏的熱傳導(dǎo)及冷屏的溫度分布情況，安裝了5支溫度計(jì)，分別裝在磁體、二級冷頭、二級冷屏、一級冷頭、一級冷屏上。溫度計(jì)與冷頭、冷屏接觸處墊銦片，盡量減少由于安裝引起的測量誤差。

4、杜瓦的裝配、包扎、制作

4.1、杜瓦零部件加工準(zhǔn)確

　　由于杜瓦夾層空間有限，特別是安裝超導(dǎo)磁體的小液氦筒部分間隙很小，在很小的間隙內(nèi)要保證各部件之間不形成熱短路，各部件制作后的尺寸必須準(zhǔn)確。零部件在正式裝配前必須進(jìn)行預(yù)裝配。

4.2、杜瓦多層絕熱材料包扎原則

　　多層絕熱包扎材料選用單面鍍鋁滌綸薄膜。包扎的原則是：間隙大的地方多包扎一些，間隙小的地方少包扎一些，個(gè)別地方因?yàn)樾枰�焊接，可以不包扎多層絕熱材料，表面拋光處理。

4.3、杜瓦磁體內(nèi)孔與室溫管孔同心度的保證措施

　　磁體內(nèi)孔與杜瓦室溫管孔有同心度要求，在兩層冷屏之間設(shè)計(jì)了6個(gè)環(huán)狀支撐，確保磁場中心處在室溫管軸中心上。

4.3、杜瓦裝配時(shí)的整體檢漏

　　液氦筒部件在包扎前，及杜瓦組裝完畢后經(jīng)過氦質(zhì)譜檢漏儀整體檢漏。保證漏率<1×10-9Pa·M3/S。

4.4、杜瓦的抽空、排氣

　　杜瓦夾層真空處理采用整體加熱，控制一級冷屏的溫度在60ºC左右，并用氮?dú)庵脫Q、脫水，連續(xù)24小時(shí)不間斷抽空，真空度達(dá)到1×10-3Pa以上后封結(jié)。