CN113593768B - 一种超导腔固体传导冷却结构 - Google Patents

一种超导腔固体传导冷却结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超导腔固体传导冷却结构，包括：超导腔本体，主要由加速单元和束流管道组成；第一导冷块，沿周向设置在超导腔本体的赤道区域，且其内表面与超导腔本体的赤道区域外表面贴合；第二导冷块，两第二导冷块分别沿周向设置在超导腔本体的束流管道区域，且其内表面均与超导腔本体的束流管道区域外表面贴合；二级冷板，设置在第一、第二导冷块的上方，且二级冷板的一侧通过第一柔性冷链分别与第一、第二导冷块连接，二级冷板的另一侧通过第二柔性冷链与制冷机的二级冷头连接。本发明可以采用商业制冷机，通过固体传导冷却的方式，使超导腔在低温下稳定运行，摆脱传统超导腔必须浸泡在液氦里冷却的工作方式，降低射频超导技术的应用难度。

Description

一种超导腔固体传导冷却结构
技术领域
本发明涉及一种超导腔，特别是关于一种超导腔固体传导冷却结构，属于超导技术领域。
背景技术
当前基于铌基超导腔的超导加速器是采用2K-4K之间的液氦浸泡实现冷却，需要大型的低温制冷站、复杂的恒温器系统以及专业的低温制冷维护团队，是射频超导技术普及应用的主要障碍。
当前，超导转变温度≥15K的高温超导材料超导腔在4.2K甚至冷氦气状态下的射频性能已可达到铌基超导腔2K下的水平。同时，工业制冷机技术近年来迅速发展，已可在4.2K低温下达到2W的制冷功率，并且目前国产工业制冷机平均维护周期长达18个月。采用商业制冷机通过固体传导冷却的方式，使高温超导材料超导腔在低温条件下稳定运行成为可能。这将摆脱液氦束缚，增加射频超导技术应用的普及性。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种超导腔固体传导冷却结构，以摆脱传统超导腔必须浸泡在液氦里冷却的工作方式，降低射频超导技术的应用难度。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种超导腔固体传导冷却结构，包括：超导腔本体，主要由加速单元和对称设置在所述加速单元两侧的束流管道组成；第一导冷块，沿周向设置在所述超导腔本体的赤道区域，且所述第一导冷块的内表面与所述超导腔本体的赤道区域外表面贴合；第二导冷块，两所述第二导冷块分别沿周向设置在所述超导腔本体的束流管道区域，且所述第二导冷块的内表面均与所述超导腔本体的束流管道区域外表面贴合；二级冷板，设置在所述第一导冷块和第二导冷块的上方，且所述二级冷板的一侧通过第一柔性冷链分别与所述第一导冷块和第二导冷块连接，所述二级冷板的另一侧通过第二柔性冷链与制冷机的二级冷头连接。
所述的超导腔固体传导冷却结构，优选地，所述超导腔本体的内表面形成有高温超导材料的薄膜，所述高温超导材料是指零磁场下超导转变温度高于15K，同时4K温度下过热磁场高于150mT的材料。
所述的超导腔固体传导冷却结构，优选地，两所述第二导冷块大小相同，且相对于所述第一导冷块对称分布；同时，在所述第一导冷块和第二导冷块与所述超导腔本体的接触界面上布置铟片。
所述的超导腔固体传导冷却结构，优选地，所述第一导冷块和第二导冷块均为对半抱箍形式，所述第一导冷块和第二导冷块的对半抱箍均通过螺钉螺母紧固相连，所述对半抱箍连接处布置有铟片；并且，所用螺钉为316L不锈钢螺钉，所用螺母为硅青铜螺母，所用垫片为不锈钢弹垫；同时，所述螺钉螺母的紧固力矩为115N.m，确保紧固连接处的热阻低于1×10-4Km2/W。
所述的超导腔固体传导冷却结构，优选地，所述第一导冷块和第二导冷块均通过两条所述第一柔性冷链与所述二级冷板连接，且所述第一柔性冷链由无氧铜编织袋制作而成，所述第一导冷块、第二导冷块和二级冷板采用无氧铜材质加工而成。
所述的超导腔固体传导冷却结构，优选地，所述第一柔性冷链的一端通过螺钉螺母与所述第一导冷块和第二导冷块紧固连接，所述第一柔性冷链的另一端通过螺钉螺母与所述二级冷板连接，且所用螺钉螺母的材质及力矩要求与导冷块所用螺钉螺母相同；同时，所述第一柔性冷链与所述第一导冷块和第二导冷块的连接处、所述第一柔性冷链与所述二级冷板的连接处均布置有铟片。
所述的超导腔固体传导冷却结构，优选地，所述第二柔性冷链的一端通过螺钉螺母与所述二级冷板紧固相连，所述第二柔性冷链的另一端通过螺钉螺母与所述二级冷头紧固相连，且所用螺钉螺母的材质及力矩要求与导冷块所用螺钉螺母相同；同时，所述第二柔性冷链与所述二级冷板的连接处、所述第二柔性冷链与所述二级冷头的连接处均布置有铟片。
所述的超导腔固体传导冷却结构，优选地，在所述超导腔本体的赤道区域外表面、第一导冷块、第二导冷块、二级冷板和二级冷头上均布置有温度传感器；同时，在所述二级冷头上布置有高精度加热器，用于配合温控仪和温度传感器，实现在30-15K之间降温速率平稳且在1min/K-5min/K之间连续可调的条件，且确保所述超导腔本体在轴线方向的温度梯度≤0.025K/cm。
所述的超导腔固体传导冷却结构，优选地，在所述超导腔本体的赤道区域外表面及束流管道区域外表面布置有磁通门探头，所述磁通门探头需能够准确测量≤10mGs的磁场强度。
所述的超导腔固体传导冷却结构，优选地，在所述超导腔本体的两束流管道上分别套设有一腔体吊环，并通过与所述腔体吊环连接的若干根腔体吊杆将所述超导腔本体悬吊固定，且所述腔体吊环和腔体吊杆均由高纯铝、金属钛或316L不锈钢材料加工而成。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
本发明能够采用商业制冷机，通过固体传导的方式对超导腔进行冷却，使超导腔在低温下稳定运行，摆脱当前射频超导加速腔只能浸泡在液氦里的冷却方式，省去了复杂的恒温器设计、昂贵且庞大的氦气液化低温站、专业化的低温站运维团队，降低了射频超导技术的应用难度，在射频超导技术的小型化、产业化应用方面具有天然优势。同时，本发明与超导腔的形状、大小、结构无关，具有更加好的普适性。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的超导腔固体传导冷却结构的整体结构示意图；
图2为本发明该实施例提供的超导腔固体传导冷却结构的轴向剖面示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，使用术语“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明提供的超导腔固体传导冷却结构做详细介绍。
如图1、图2所示，本实施例提供的超导腔固体传导冷却结构，包括：超导腔本体1，主要由加速单元1-1和对称设置在加速单元1-1两侧的束流管道1-2组成；第一导冷铜块2，沿周向设置在超导腔本体1的赤道区域(即加速单元1-1的中间部位)，且第一导冷铜块2的内表面与超导腔本体1的赤道区域外表面贴合；第二导冷铜块3，两第二导冷铜块3分别沿周向设置在超导腔本体1的束流管道区域，且第二导冷铜块3的内表面均与超导腔本体1的束流管道区域外表面贴合；二级冷板4，设置在第一导冷铜块2和第二导冷铜块3的上方，且二级冷板4的一侧通过第一柔性冷链5分别与第一导冷铜块2和第二导冷铜块3连接，二级冷板4的另一侧通过第二柔性冷链6与制冷机的二级冷头7连接。由此，超导腔本体1内壁的发热通过第一导冷铜块2和第二导冷铜块3经第一柔性冷链5传递到二级冷板4，再经过第二柔性冷链6传递到制冷机的二级冷头7，从而使超导腔本体维持在低温超导工作状态。
上述实施例中，优选地，超导腔本体1的内表面形成有高温超导材料的薄膜，该高温超导材料是指零磁场下超导转变温度高于15K，同时4K温度下过热磁场高于150mT的材料，例如Nb3Sn、MgB2、NbN、铁基超导材料等。
上述实施例中，优选地，两第二导冷铜块3大小相同，且相对于第一导冷铜块2对称分布；第一导冷铜块2和第二导冷铜块3均为对半抱箍形式；同时，在第一导冷铜块2和第二导冷铜块3与超导腔本体1的接触界面上布置铟片(图中未示出)，用以强化导热。
上述实施例中，更优选地，第一导冷铜块2和第二导冷铜块3的对半抱箍均通过螺钉螺母紧固相连；并且，为减小超导腔本体1所在空间的剩磁以及进行有效紧固，所用螺钉为316L不锈钢螺钉，所用螺母为硅青铜螺母，所用垫片为不锈钢弹垫；同时，对半抱箍连接处布置有铟片，用以加强导热；进一步地，螺钉螺母的紧固力矩为115N.m，确保紧固连接处的热阻低于1×10-4Km2/W。
上述实施例中，优选地，第一导冷铜块2和第二导冷铜块3均通过两条第一柔性冷链5(三组导冷铜块共对应6条柔性冷链5)与二级冷板4连接，且第一柔性冷链5由无氧铜编织袋制作而成，第一导冷铜块2、第二导冷铜块3和二级冷板4采用无氧铜材质加工而成，用以增加导热能力。
上述实施例中，优选地，第一柔性冷链5的一端通过螺钉螺母与第一导冷铜块2和第二导冷铜块3紧固连接，第一柔性冷链5的另一端通过螺钉螺母与二级冷板4连接，且所用螺钉螺母的材质及力矩要求与导冷铜块所用螺钉螺母相同；同时，第一柔性冷链5与第一导冷铜块2和第二导冷铜块3的连接处、第一柔性冷链5与二级冷板4的连接处均布置有铟片，用以强化导热。
上述实施例中，优选地，第二柔性冷链6的一端通过螺钉螺母与二级冷板4紧固相连，第二柔性冷链6的另一端通过螺钉螺母与二级冷头7紧固相连，且所用螺钉螺母的材质及力矩要求与导冷铜块所用螺钉螺母相同；同时，第二柔性冷链6与二级冷板4的连接处、第二柔性冷链6与二级冷头7的连接处均布置有铟片，用以强化导热。
上述实施例中，优选地，在超导腔本体1的赤道区域外表面、第一导冷铜块2、第二导冷铜块3、二级冷板4和二级冷头7等位置均布置有温度传感器(图中未示出)，用于监控超导腔本体1的温度变化；同时，在二级冷头7上布置有高精度加热器(图中未示出)，用于配合温控仪和温度传感器，实现在30-15K之间降温速率平稳且在1min/K-5min/K之间连续可调的条件，且确保超导腔本体1在轴线方向的温度梯度≤0.025K/cm。
上述实施例中，优选地，在超导腔本体1的赤道区域外表面及束流管道区域外表面布置有磁通门探头(图中未示出)，该磁通门探头需能够准确测量≤10mGs的磁场强度，用以剩磁测量及监测。
上述实施例中，优选地，在超导腔本体1的两束流管道1-2上分别套设有一腔体吊环8，并通过与腔体吊环8连接的若干根腔体吊杆9将超导腔本体1悬吊固定，且腔体吊环8和腔体吊杆9均由高纯铝、金属钛、316L不锈钢等无磁、少磁材料加工而成。
本领域技术人员应该理解的是，本发明的附图和实施例只是为了便于描述本发明的技术方案，列出的针对图示形状的超导腔固体传导冷却结构为例，进行的原理性阐述与说明，而不是指示或暗示所指的超导腔及固体传导冷却结构设计必须具有特定的形状及大小，因此不能以此来限制本发明的保护范围。所有超导腔采用制冷机驱动，基于固体传导的冷却方式，都应在本发明的保护范围。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种超导腔固体传导冷却结构，其特征在于，包括：
超导腔本体(1)，主要由加速单元(1-1)和对称设置在所述加速单元(1-1)两侧的束流管道(1-2)组成，且所述超导腔本体(1)的内表面形成有Nb3Sn薄膜；
第一导冷块(2)，沿周向设置在所述超导腔本体(1)的赤道区域，且所述第一导冷块(2)的内表面与所述超导腔本体(1)的赤道区域外表面贴合；
第二导冷块(3)，两所述第二导冷块(3)分别沿周向设置在所述超导腔本体(1)的束流管道区域，且所述第二导冷块(3)的内表面均与所述超导腔本体(1)的束流管道区域外表面贴合；
二级冷板(4)，设置在所述第一导冷块(2)和第二导冷块(3)的上方，且所述二级冷板(4)的一侧通过第一柔性冷链(5)分别与所述第一导冷块(2)和第二导冷块(3)连接，所述二级冷板(4)的另一侧通过第二柔性冷链(6)与制冷机的二级冷头(7)连接。
2.根据权利要求1所述的超导腔固体传导冷却结构，其特征在于，所述超导腔本体(1)的内表面形成有高温超导材料的薄膜，所述高温超导材料是指零磁场下超导转变温度高于15K，同时4K温度下过热磁场高于150mT的材料。
3.根据权利要求1所述的超导腔固体传导冷却结构，其特征在于，两所述第二导冷块(3)大小相同，且相对于所述第一导冷块(2)对称分布；
同时，在所述第一导冷块(2)和第二导冷块(3)与所述超导腔本体(1)的接触界面上布置铟片。
4.根据权利要求1所述的超导腔固体传导冷却结构，其特征在于，所述第一导冷块(2)和第二导冷块(3)均为对半抱箍形式，所述第一导冷块(2)和第二导冷块(3)的对半抱箍均通过螺钉螺母紧固相连，所述对半抱箍连接处布置有铟片；
并且，所用螺钉为316L不锈钢螺钉，所用螺母为硅青铜螺母，所用垫片为不锈钢弹垫；
同时，所述螺钉螺母的紧固力矩为115N.m，确保紧固连接处的热阻低于1×10-4K m2/W。
5.根据权利要求1所述的超导腔固体传导冷却结构，其特征在于，所述第一导冷块(2)和第二导冷块(3)均通过两条所述第一柔性冷链(5)与所述二级冷板(4)连接，且所述第一柔性冷链(5)由无氧铜编织袋制作而成，所述第一导冷块(2)、第二导冷块(3)和二级冷板(4)采用无氧铜材质加工而成。
6.根据权利要求4所述的超导腔固体传导冷却结构，其特征在于，所述第一柔性冷链(5)的一端通过螺钉螺母与所述第一导冷块(2)和第二导冷块(3)紧固连接，所述第一柔性冷链(5)的另一端通过螺钉螺母与所述二级冷板(4)连接，且所用螺钉螺母的材质及力矩要求与导冷块所用螺钉螺母相同；
同时，所述第一柔性冷链(5)与所述第一导冷块(2)和第二导冷块(3)的连接处、所述第一柔性冷链(5)与所述二级冷板(4)的连接处均布置有铟片。
7.根据权利要求4所述的超导腔固体传导冷却结构，其特征在于，所述第二柔性冷链(6)的一端通过螺钉螺母与所述二级冷板(4)紧固相连，所述第二柔性冷链(6)的另一端通过螺钉螺母与所述二级冷头(7)紧固相连，且所用螺钉螺母的材质及力矩要求与导冷块所用螺钉螺母相同；
同时，所述第二柔性冷链(6)与所述二级冷板(4)的连接处、所述第二柔性冷链(6)与所述二级冷头(7)的连接处均布置有铟片。
8.根据权利要求1到7任一项所述的超导腔固体传导冷却结构，其特征在于，在所述超导腔本体(1)的赤道区域外表面、第一导冷块(2)、第二导冷块(3)、二级冷板(4)和二级冷头(7)上均布置有温度传感器；
同时，在所述二级冷头(7)上布置有高精度加热器，用于配合温控仪和温度传感器，实现在30-15K之间降温速率平稳且在1min/K-5min/K之间连续可调的条件，且确保所述超导腔本体(1)在轴线方向的温度梯度≤0.025K/cm。
9.根据权利要求1到7任一项所述的超导腔固体传导冷却结构，其特征在于，在所述超导腔本体(1)的赤道区域外表面及束流管道区域外表面布置有磁通门探头，所述磁通门探头需能够准确测量≤10mGs的磁场强度。
10.根据权利要求1到7任一项所述的超导腔固体传导冷却结构，其特征在于，在所述超导腔本体(1)的两束流管道(1-2)上分别套设有一腔体吊环(8)，并通过与所述腔体吊环(8)连接的若干根腔体吊杆(9)将所述超导腔本体(1)悬吊固定，且所述腔体吊环(8)和腔体吊杆(9)均由高纯铝、金属钛或316L不锈钢材料加工而成。
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