本文介紹了帶制冷機冷卻的超導磁體系統杜瓦的設計、制作及實驗結果分析。杜瓦采用40K、10K雙制冷屏結構，其室溫磁場孔徑為Φ75㎜，長415㎜。試驗結果為：液氦蒸發率為0.69升/天（在20天連續試驗期內），優于合同規定的指標（2.4升/天）。雙制冷屏由一臺雙級G-M制冷機冷卻，工作時一級冷屏溫度為35K，二級冷屏溫度為7.0K。磁體系統的磁場強度為3T，滿足了用戶的使用要求。

1、引言

　　超導磁體在磁共振成像（MRI）、加速器、托卡馬克裝置等設備中得到了廣泛的應用。采用超導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。制冷機冷卻型超導磁體系統具有運行維護方便、結構緊湊、安全性好、效率高、長時間運行不需補液等優點，受到廣泛關注。所以，用制冷機冷卻制冷屏的低蒸發率超導磁體杜瓦就成為超導磁體走向工業應用迫切需要解決的問題。

2、主要技術指標

 液氦冷卻超導磁體，液氦溫度為4.2K+0.2K。

 液氦蒸發率<0.1升/小時（2.4升/天），補液周期>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。

3、總體結構設計

3.1、液氦筒容積的確定

　　根據技術指標第2條的要求，液氦筒的最小貯液量應為：

V=0.1升/小時×24小時×20天=48升

　　假設液氦筒貯液率按其容積80%計, 液氦筒的設計空容積為V 設計=60升。

3.2、杜瓦液氦筒的結構設計

　　根據磁體的結構特點及安裝位置，將液氦筒設計成大、小各一個，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償，二則增加熱傳導距離，減少頸管的固體傳導。為了使第一次輸液氦時，液氦能夠先預冷超導磁體。在小液氦筒內部預裝一根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，輸液管直接插入喇叭口, 液氦直接流入小液氦筒冷卻超導磁體。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雙冷屏的結構設計10K、40K雙制冷屏采用紫銅制作。為了保證熱傳導良好，冷屏各連接處采用銅氬弧焊，其焊縫質量與不銹鋼氬弧焊基本相同。10K冷屏與制冷機二級冷頭相連，40K冷屏與制冷機一級冷頭相連。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為杜瓦總體結構示意圖。

圖1 杜瓦總體結構示意圖

3.4、制冷機的安裝

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

3.5、杜瓦內部溫度計的安裝、布置

　　為了準確了解制冷機冷頭與冷屏的熱傳導及冷屏的溫度分布情況，安裝了5支溫度計，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、杜瓦零部件加工準確

　　由于杜瓦夾層空間有限，特別是安裝超導磁體的小液氦筒部分間隙很小，在很小的間隙內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確。零部件在正式裝配前必須進行預裝配。

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，個別地方因為需要焊接，可以不包扎多層絕熱材料，表面拋光處理。

4.3、杜瓦磁體內孔與室溫管孔同心度的保證措施

　　磁體內孔與杜瓦室溫管孔有同心度要求，在兩層冷屏之間設計了6個環狀支撐，確保磁場中心處在室溫管軸中心上。

4.3、杜瓦裝配時的整體檢漏

　　液氦筒部件在包扎前，及杜瓦組裝完畢后經過氦質譜檢漏儀整體檢漏。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，并用氮氣置換、脫水，連續24小時不間斷抽空，真空度達到1×10-3Pa以上后封結。