針對超導磁體液氦易揮發、需要不斷補充的問題,為研制的超導磁體加裝了G-M制冷機. 為了使磁體漏熱量與制冷機的兩級制冷量相匹配,對系統液氦和液氮溫區的傳導漏熱、輻射漏熱和對流漏熱3種熱載荷進行了計算,對制冷機單獨進行了制冷量和最低溫度的測試,結果表明磁體漏熱量與制冷機制冷量相匹配. 制冷機與磁體杜瓦裝配后用制冷機冷卻磁體, 5d時間將磁體溫度冷卻到4.2K. 向磁體輸入液氦并勵磁, 3d時間內超導液面計數值下降不明顯,表明磁體可實現自供液氦和零蒸發,裝置在無補液情況下可長期運行.

　　通常低溫超導磁體采用液氦來提供和保持超導線圈所需的低溫,用液氮來冷卻防輻射冷屏,系統的液氦蒸發率較高,操作較為復雜. 為了降低液氦蒸發率提高磁體使用時間,一種辦法是采用絕熱好的真空杜瓦減少漏熱,另一種辦法是采用制冷機來冷卻防輻射冷屏和液化氦氣. 研制了一套用于鈉金屬電磁泵的超導強磁裝置,屬于大口徑、高場強磁體,中心場最大磁感應強度達到5T. 若磁體采用液氦直接浸泡,則由于磁體杜瓦漏熱、電流引線導熱等原因導致液氦蒸發率較高,需要不斷補充液氦以防止磁體失超,給運行帶來很大麻煩. G-M兩級制冷機可以將溫度分別冷卻到液氮和液氦溫度:一是冷卻防輻射冷屏,將冷屏溫度維持在合理低溫;二是將蒸發的氦氣冷凝為液氦,從而減少液氦蒸發率,延長磁體使用時間.

1、系統設計與研制

　　該系統的主要技術指標為: 磁場室溫孔Φ150mm ×600mm,中心場磁感應強度0 ～5 T連續可調. 系統由超導磁體、液氦杜瓦、低溫制冷機、勵磁電源、超導氦液面計、失超保護系統、數據采集系統等組成,磁體結構示意圖如圖1所示.

圖1　超導強磁裝置結構示意圖

　　超導磁體的研制是整個系統中比較關鍵的一步,分為磁體設計、短樣測試、磁體繞制、VPI固化、勵磁與失超鍛煉等步驟 . 該磁體所用的超導線為西北有色金屬研究院生產的NbTi線,裸線線徑為0.735mm, 鍍漆后的線徑0.805 mm, 銅超比為1.6∶1. 經過短樣測試,股線在磁場為5T、溫度為4.2K時臨界電流Ic為484A. 磁體線圈匝數為21269匝,磁體設計常數為393.7G/A,電感40H,儲能224kJ.

　　磁體繞制時加3.5kg的預緊力,以防止繞線松動,克服周向電磁力的影響. 繞制完成后,經過VPI工藝(真空壓力浸漬)用環氧樹脂浸漬磁體,又在磁體最外面纏繞10層0. 8 mm的鋼絲加以固定,達到固化磁體的目的. 之后將磁體浸泡在廣口實驗大杜瓦的液氦中進行勵磁實驗,磁體經過10次勵磁鍛煉,第10次在通電電流為97A的情況時,磁感應強度達到4.66T. 之后再裝入磁體杜瓦中與制冷機、冷屏、溫度傳感器、電流引線等裝配到一起.

2、熱載荷計算

　　由于磁體處于極低溫狀態,屬液氦溫區,磁體冷屏溫度處于液氮溫區,熱載荷大小將決定液氦蒸發量的大小和制冷機的選型,因此計算磁體的熱載荷十分必要. 在磁體的熱載荷計算中,主要有真空杜瓦剩余氣體漏熱、傳導漏熱以及輻射漏熱.

2.1、計算依據

1)剩余氣體漏熱.

　　在低溫恒溫器中當壓力小于0.0133Pa時,氣體分子從一個表面到另一個表面不會與別的分子相碰. 在此條件下,從表面1(T1)到表面2(T2)剩余氣體的單位漏熱量為

　　在這里:γ=Cp/Cv , R是氣體常數, P是壓強,M 是氣體分子量,α是適用系數, 取最大值1. 若剩余氣體為氦氣,則式(1)可簡化為

　　在試驗中當Pmm為1.33×10^-4Pa, △T=10K時,剩余漏熱氣體為0.3μW·cm^-2.

2)傳導漏熱.

　　引線漏熱主要是中心加熱板上溫度計引線和加熱器引線的漏熱.

3)輻射漏熱.

　　輻射漏熱的表達式為

　　式中:σ = 5.67 ×10^{- 12} W·cm^{- 2} ·K^{- 4} ,ε為發射率,n為防輻射噴鋁滌綸薄膜層數.

2.2、液氮溫區

1)傳導.

　　①8根冷屏吊掛組件傳導(環氧- 玻纖層狀材料) : 265mm ×30 mm ×3mm,漏熱: 0.25W;
　　② 4 根頸部固定環氧- 玻纖層狀材料:Φ12 mm ×12 mm,漏熱:小于3.4W;
　　③氦回氣管(銅管): Φ4, 厚0.2 mm, 長1000 mm,漏熱: 0.29W;
　　④電流引線部件漏熱: 10W.

2)輻射漏熱: 3.11mm ×106 mm,ε取0.1, n取5,共23. 8W.

3)對流傳熱: 0.24W.一級冷頭漏熱共37.98W,根據以上對漏熱的計算,一級冷頭的工作溫度在40～50K.

2.3、液氦溫區

1)傳導.

　　①冷屏吊掛組件傳導:低溫下環氧熱導率較低,且溫差小,此項可忽略不計;
　　②2根底部支撐環氧材料:Φ12 mm ×33 mm,漏熱:小于0.79W;
　　③4根頸部固定環氧材料:Φ12 mm ×30 mm,漏熱:小于0. 1W;
　　④氦回氣管(銅管) : Φ4, 厚0.2 mm, 長1340 mm,漏熱: 0.1W;
　　⑤電流引線部件漏熱: 0.5W;2)輻射: 1.93 ×106mm2 ,小于0.01W.

3)對流傳熱:約為0. 03W.

表1　磁體系統漏熱計算結果