阅读说明：本技术 一种传导冷却超导磁体的两级g-m制冷机导冷结构 (Two-stage G-M refrigerator cold conduction structure for conducting and cooling superconducting magnet ) 是由 刘辉 王晖 陈顺中 孙万硕 孙金水 王秋良 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：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。(The invention discloses a two-stage G-M refrigerator cold guide structure for conduction cooling of a superconducting magnet. The independent small cavity comprises a telescopic corrugated pipe, a primary thin-wall cylinder, a primary outer cone, a secondary thin-wall cylinder and a secondary heat sink. When the cold head needs to be maintained or replaced, the cold head only needs to be pulled out, and the interlayer vacuum of the superconducting magnet does not need to be damaged. In the primary stage of superconducting magnet cooling, the primary cold head and the secondary cold head of the refrigerator are both in a helium atmosphere, so that the cooling speed of the secondary heat load is accelerated. At the end of the cooling of the magnet, part of the helium gas is liquefied into liquid helium, and the convection heat transfer effect of the helium gas is weakened. The first-stage cold head transmits cold energy to components such as a cold shield and the like through the first-stage inner cone and the first-stage outer cone, and the separation of the temperature of the magnet and the temperature of the components of the cold shield is realized.)

一种传导冷却超导磁体的两级G-M制冷机导冷结构

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。

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，一级冷头的冷量通过高压氦气对流传递给二级，可以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，小腔中气压降低，氦气的对流传热效应减弱。此时，一级冷头通过一级内外锥体将冷量传递给冷屏等部件，二级冷头的冷凝器浸泡液氦中，通过液氦的热传导将冷量传递给磁体，实现磁体和冷屏部件温度的分离。

附图说明

图1是两级G-M制冷机导冷结构示意图；

图2是某小动物成像MRI传导冷却超导磁体系统结构示意图；

图中，1-G-M制冷机；2-可伸缩波纹管；3-一级薄壁筒；4-一级内锥体；5-一级外锥体；6-二级薄壁筒；7-二级冷凝器；8-二级热沉；9-安全泄放阀；10-单向阀；11-真空容器；12-冷屏；13-屏蔽线圈；14-主线圈；15-二级导冷带；16-一级导冷带。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例的叙述，本领域的技术人员是可以完全实现本发明权利要求的全部内容。

如图1所示，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1的两级冷头均位于一个独立小腔中，腔中封存一定量高纯氦气，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。锥面开一些导流槽的一级内锥体4作为一级冷头换热器，二级冷凝器7即为二级冷头换热器。

独立小腔由可伸缩波纹管2，一级薄壁筒3，一级外锥体5，二级薄壁筒6，二级热沉8组成。通过焊接的方式将可伸缩波纹管2，一级薄壁筒3，一级外锥体5，二级薄壁筒6，二级热沉8连接在一起。

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2一定轴向预紧力保证一级内锥体4和一级外锥体5之间良好的贴合、压紧。二级冷凝器7与二级热沉8之间留有一定间隙。一级内锥体4位于制冷机一级冷头下方，二级冷凝器7位于制冷机二级冷头下方，一级内锥体4与一级外锥体5的锥面良好贴合，二级冷凝器7悬于二级热沉8的上方，两者之间留有3-5mm间隙。

超导磁体开始降温后，通过单向阀10和安全泄放阀9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。

图2给出了本发明应用在某小动物成像MRI传导冷却超导磁体的实例，下面根据附图2进一步说明本发明的功能和结构。

该传导冷却超导磁体系统由真空容器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组成。

按上述方案，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。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均装入在真空容器11中，处于高真空环境中。

作为优选，二级导冷带15和一级导冷带16材质均为高纯退火铜，目的是尽量减少一级导冷带16和二级导冷带15远近端的温差。

作为优选，降温前将一定量高纯氦气封在小腔中，降温前期，通过氦气对流，利用一级冷量加速超导磁体降温冷却。降温后期，氦气被液化，氦气对流效应被削弱，实现磁体和冷屏12温度分离。

作为优选，一级外锥体5和二级热沉8材质为高纯铜，一级薄壁筒3和二级薄壁筒6材质为316L不锈钢，两者采用真空炉钎焊的工艺进行密封焊接。

本发明不仅可以实现制冷机冷头的快速更换和维护，对提高传导冷却超导磁体的降温效率也有积极的意义。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。