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无磁非金属微型同轴脉冲管制冷机的设计分析

添加人:[db:添加人] 发布时间:2017/11/15 16:13:03 来源:中国冷凝器网


  高温超导量子干涉仪(HTcSQUIDs)的正常工作需要低温冷却条件,通常情况下都是放在装有液氮或液氦等低温液体的杜瓦中冷却但低温液体在传输补给和安全等方面存在诸多困难,而且受到仪器的安装、运行以及间歇操作等种种条件的限制。在某些特殊场合,如空间飞行器上要求仪器不受方向性影响,水下潜艇或其他密闭的环境内不允许蒸发气体污染有限的空间,它们限制甚至禁止低温容器的应甩在很多情况下,由于缺乏合适的低温系统才限制了SQUIDs器件的广泛使用。于是机械制冷的替代方法便应运而生。
  但机械制冷方法面临着一个关键的困难,即如何将由低温制冷机本身产生的干扰信号控制在HTc基金项目:国家自然科学基金(批准号:501760S)及中国科学院资助。
  SQUIDs的固有内禀噪声(Intrinsicnoise)之内。基于超导量子干涉仪的超导器件,对环境的要求十分苛刻(例如超导地磁仪中SQUIDs的灵敏度大约是地磁场KIff10),一般的商用低温制冷机若不采用特殊的附加装置根本无法与之配合工作。常规低温制冷机的振动和电磁噪声会大大超过SQUIDs的信号输出范围,从而使SQUID的输出变得毫无意义近30年来,人们为低温制冷机的低电磁干扰化做出了不懈的努力。1976年美国国家标准技术研究局(NISA)的Zimmerman报道了他们研制的一种斯特林型低功率塑料制冷机,其特点是小功率低转速,采用非金属材料尼龙(Nilon)和玻璃钢G-10制作排出器的推移活塞和气缸,具有缝隙式回热,取用低压力的工质,为尝试以机械制冷方法冷却高灵敏的超导器件奠定了基础,其后斯特林型塑料制冷机获得了较快发展如今的低功率塑料制冷机已经实际用于SQUIDs器件的冷却,但由于斯特林型制冷机冷头排出器等机械运动部件的存在,它们带来的振动及电磁干扰信号很难消除。
  脉冲管制冷机的冷端完全取消了机械运动部件,这使得它具有机械构造简单、运行可靠、振动小和电磁干扰小的优势,自20世纪90年代中期以来,无磁脉冲管制冷机的研制成为无磁制冷机发展的主要方向。
  高温超导量子干涉仪通常工作在的50 80K温度范围内,需要的制冷量约为几百毫瓦现在一级脉冲管制冷机已能满足这一相对简单的要求但脉冲管制冷机系统中磁性或金属部件产生的较大的电磁干扰信号(EMI)和感应涡流,仍然是将脉冲管制冷机应用到高灵敏度超导量子干涉仪冷却上的巨大障碍。可以设想,如果一个脉冲管制冷机的所有部件全部由无磁非金属电绝缘的材料制作,那么这一部分干扰信号将减小到可以忽略的水平本文将从脉冲管制冷机系统中的主要电磁干扰源及其克服手段入手,对这种新型无磁非金属脉冲管制冷机进行详细的设计分析2脉冲管制冷机的电磁干扰源及其克服手段一般而言,在冷却HTcSQUIDs时,电磁干扰信号的引起原因主要有2个:①HTcSQUIDs附近的变化磁场;②HTcSQUIDs在不均匀场中内的移动具体到脉冲管制冷机来讲,电磁干扰源主要有几部分组成:压缩机系统产生的机械振动及电磁干扰信号;具有磁性的制冷机构件所直接附加的磁干扰信号;制冷机中的金属部件在磁场中运动产生的涡流21压缩机系统压缩机系统产生的干扰信号主要有2种:一种是压缩机系统中的磁性或金属材料在磁场中运动所直接产生的电磁信号,另一种是压缩机的运动部件产生的机械振动对HTcSQUIDs的磁干扰。
  上述干扰信号可以采取以下措施予以克服:第一,适当增加压缩机系统和制冷机本体之间的距离。因为电磁干扰信号的强度随距离的增加而减弱,增大距离可以大幅度地减小电磁干扰第二,在必要情况下,对压缩机进行磁屏蔽压缩机和制冷机本体之间的距离不可能无限增大,因为随着这一距离的增大,制冷量会随之降低,最低温度将有所升高所以在增大距离的方法仍不能有效消除干扰的情况下,可以采用双层金属对压缩机进行电磁屏蔽第三,压缩机与制冷机本体之间使用柔性管道连接。通常使用金属连接管道,这种刚性连接将压缩机的振动直接传导到制冷机上,使用诸如聚酰亚胺之类的塑料连接管道可以有效地减小压缩机的振动对制冷机本体的影响。
  22脉冲管制冷机本体的振动压力波诱导的脉冲管的弹性伸缩,是附近周期性干扰信号产生的主要原因器件一般直接固定在与脉冲管连接的冷头(冷端换热器)上,脉冲管在压力波的诱导下周期性弹性伸缩,从而带动了冷头及其上SQUIDs器件的上下振动这一振动产生的干扰信号很明显,举例而言,在当地磁场梯度为250nT/m数量级的地磁场中,沿z轴方向上一个10,um的振动将导致磁场强度变化2.5pT脉冲管的弹性伸缩量L可以由虎克定律计算如下当脉冲管的材料和几何尺寸一定的情况下,L是p的线性函数可以在不降低制冷机制冷性能的情况为了更进一步减小冷头振动,可以借助所谓的振动补偿法。如所示,将SQUIDs 3安装在一个与冷头1分离的独立冷平台2上,独立冷平台2和制冷机的冷头1之间通过柔性传热带4进行热传递冷平台2通过支撑5固定在制冷机的热端法兰上23制冷机中的磁性材料和涡流现有的脉冲管制冷机中,各部件都采用带有很大剩磁的材料或金属材料制作,如脉冲管和蓄冷器管壁由薄壁不锈钢管或钛合金管制作,蓄冷器填料是由细金属丝网、小金属球或颗粒组成,冷热端换热器由高纯无氧铜加工而成等制冷机中的磁性部件在工作环境中可以直接附加磁干扰信号,而制冷机中的金属部件在磁场中运动时就会产生感应涡流,这些都会产生较大的干扰信号。事实上,材料中的剩磁和产生的感应涡流是利用普通脉冲管制冷机冷却SQUIDs器件的最大障碍。这是当前无磁脉冲管制冷机研制中不得不面对而又没有很好解决的问题如果能将脉冲管制冷机中的磁性或金属部件完全由无磁非金属、电绝缘的材料替代,那么,这一问题便迎刃而解。本文的目的也在于,克服常规脉冲管制冷机中磁性或金属材料对高灵敏度的SQUIDs器件电磁干扰的缺点,提出一种采用一系列非金属材料完全替代制冷机中磁性或金属材料的脉冲管制冷机的方法,以期实现脉冲管制冷机的低电磁干扰化甚至无电磁干扰化,并最终实现利用脉冲管制冷机有效冷却包括高温超导量子干涉仪在内的对电磁干扰要求极严格的高温超导器件。
  脉冲管制冷机的关键部件包括脉冲管、蓄冷器管连接法兰、冷端换热器蓄冷器填料、导流器和真空罩等下面详细讨论它们的选材及设计细节3材料选择及设计细节3.1,脉冲管同轴放置于蓄冷器管之内。蓄冷器管内径11mm壁厚1.25mm长52mm,所用可加工陶瓷的主要性质如表1所列。应当指出,这种可加工陶瓷的氦气渗透率几乎等同于相同尺寸的不锈钢薄壁管而且,由于它的热导率比不锈钢低(不锈钢在200K时约为13w/m°K),那么轴向的热损失也会大幅减小。这无疑优化了制冷机的性能表1所选可加工陶瓷的基本性质密度/热导率/热膨胀系数/工作温度范围/磁化率/压缩强度/抗拉强度/弯曲强度/ 3.3冷头冷头通常和SQUIDs器件直接耦合,它对SQUIDs测量产生的影响最大,因而冷头的非磁性、非金属化尤为关键在普通的商用脉冲管制冷机中,纯铜因其高热导而常被选择制作冷头的材料但对于一个用于冷却SQUIDs的脉冲官制冷机而言,因为祸流的原因,纯铜明显不能作为冷头材料,德国Giessen大学的Ger-ster等的的形状,表2所选氮化硼陶瓷的基本性质热导率热膨胀系数/c工作温度范围/c磁化率弯曲强度以便能和蓄冷器管的外壁很好地黏结起3.4蓄冷填料金属蓄冷填料中的磁性杂质、感应涡流和热激发电能产生较大的磁干扰我们的任务是找到一种蓄冷填料,它不但无磁非金锾电绝缘,而且在相同尺寸空间内还不能严重地降低制冷效率低磁化率的非金属材6和Teflon丝网曾被成功地利用为蓄冷填料在,冷头和热端法兰都使用DW-3胶黏结到蓄冷器的外壁上,DW-3是一种可在-267~ 60°C使用的合成环氧树脂胶黏剂,可以黏结各种热膨胀系数不同的金属或非金属,并且随着温度的降低,其胶黏性能随之加强3.7压缩机系统3.8其他实验所用工质为纯氦,压缩机的操作频率为50Hz,充气压力为1.6~ 20MPa目前,制冷系统运行平稳4结论系统分析了脉冲管制冷机的电磁和振动干扰源并分别给出了解决方法,同时设计和制造了一台完全由非金属材料制作的无磁非金属微型同轴脉冲管制冷机脉冲管制冷机系统中的主要干扰源有3种:压缩机系统;制冷机本体特别是冷头的振动;制冷机系统中的磁性材料所直接附加的磁干扰,以及脉冲管系统中金属部件在磁场中运动所产生的涡流压缩机系统的干扰可采用如下措施予以消除:适当增加压缩机与制冷机之间的距离;屏蔽压缩机;在制冷机与压缩机之间使用柔性连接。适当减小压差并借助了振动补偿方法可有效消除压力波诱发的脉冲管及冷头的弹性振动所设计无磁非金属微型同轴脉冲管制冷机的所有部件全部采用无磁、非金属、电绝缘的材料制作,以消除制冷机系统中磁性材料及涡流的影晌其中蓄冷器管壁用一种特殊的可加工陶瓷制作;脉冲管壁采用Nilon1010塑料制作;蓄冷器填料由紧密压制的多层环形Nilon6. 6丝网薄片组成;冷热端的导流器采用聚四氟乙烯塑料制作;热端法兰和真空罩均用丙烯酸有机玻璃加工而成;冷端换热器由氮化硼陶瓷制作冷端换热器及热端法兰与蓄冷器的冷端外壁边缘采用DW-3低温胶黏剂黏结密封。
  所设计无磁制冷机具有电磁干扰很小、冷端热漏小、重量轻结构紧凑等优点,它与SQUIDs器件的实际耦合实验正在进行中。