CN116336694A - 一种用于传导冷却超导腔测试的低温恒温器及其降温方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于传导冷却超导腔测试的低温恒温器及其降温方法。本发明低温恒温器包括一真空容器，支撑杆与真空容器的顶盖连接；真空容器内设有一磁屏蔽，磁屏蔽内设有一冷屏；冷屏内设有一超导腔支撑板；磁屏蔽、冷屏和超导腔支撑板分别与所述支撑杆连接固定；真空容器上设有脉冲管制冷机，其二级冷头通过柔性导热材料连接单元与超导腔连接；真空容器上设有液氮输入管和液氮输出管，用于输入液氮对冷屏进行冷却。本发明的低温恒温器的降温和复温时间得到了大幅缩短，极大提升了测试效率；同时也降低了体积和造价，也可作为低温实验平台，用于其他低温测量实验。

Description

一种用于传导冷却超导腔测试的低温恒温器及其降温方法

技术领域

本发明为传导冷却超导腔研发测试低温恒温器，用于传导冷却超导腔的研发测试以及传导冷却工艺的研发。

背景技术

超导腔作为超导加速器中的核心部件，其性能直接决定了束流的能量和品质。目前超导腔应用在粒子实验加速器中居多，均需要为其配备昂贵复杂的液氦低温系统以带走超导腔内表面的电磁损耗。超导腔一般使用液氦浸泡方式冷却，工作温度在2-4.5K之间。液氦低温系统需要为超导腔提供稳定的液氦低温环境，保证超导腔的温度以及氦池压力的稳定。大型液氦低温系统是制约加速器小型化和工业应用的一个关键因素。

随着超导腔技术的不断进步，超导腔工作时的电磁损耗逐渐降低。一种使用小型制冷机对超导腔进行冷却的方案被提出，国际上的各加速器实验室均对这种方案进行了研究。采用小型制冷机冷却超导腔相比传统的液氦浸泡方案具有低温恒温器体积小，结构紧凑，建设成本低以及易于维护等突出特点。所以采用小型制冷机对超导腔进行冷却可以极大促进超导加速器在工业领域的应用。

传导冷却结构的设计以及相关工艺是目前该种冷却方案中的研究重点，有必要对设计的方案进行实验研究以积累足够的数据，在此基础对传导冷却结构进行优化设计。传统的超导腔垂直测试采用液氦杜瓦，需要配备完整的低温系统以提供充足的液氦，每次测试需要较长的降温时间以及很长的实验周期，也会浪费大量的冷量。采用传导冷却的超导腔的研发测试需要设计新的实验平台以满足其特殊的实验需要。

发明内容

本发明设计了一种用于传导冷却超导腔测试的低温恒温器，是一种采用脉冲管制冷机作为冷源的低温恒温器，该恒温器包括真空容器、冷屏、磁屏蔽、支撑杆、超导腔支撑板、脉冲管制冷机等部件。该低温恒温器可用于传导冷却超导腔的研发测试，也可对传导冷却结构的性能进行测试。设计时综合考虑了减少设备的降温时间以提高测试效率，同时设计方案也需要便于多种腔型和不同传导冷却结构的测试。

本发明的技术方案为：

一种用于传导冷却超导腔测试的低温恒温器，其特征在于，包括一真空容器，所述真空容器内设有一支撑杆4，所述支撑杆4与所述真空容器的顶盖连接；所述真空容器内设有一磁屏蔽，所述磁屏蔽内设有一冷屏；所述冷屏内设有一超导腔支撑板6，用于连接固定待测试的超导腔；

所述磁屏蔽、所述冷屏和所述超导腔支撑板6分别与所述支撑杆4连接固定；

所述真空容器上布置有真空抽口11，用于连接真空泵；

所述真空容器上设有脉冲管制冷机10，所述脉冲管制冷机10的一级冷头8穿过所述磁屏蔽的顶盖与所述冷屏的顶盖连接；所述一级冷头8下端的二级冷头穿过所述冷屏的顶盖通过柔性导热材料连接单元7与所述超导腔连接，用于将所述脉冲管制冷机10产生的冷量传输给所述超导腔；

所述真空容器上设有液氮输入管19和液氮输出管20，所述液氮输入管19一端与所述真空容器上的液氮入口连接、另一端与所述磁屏蔽的液氮入口连接，用于将液氮输入所述磁屏蔽与所述冷屏之间的空间，对所述冷屏进行冷却；所述液氮输出管20一端与所述真空容器的液氮出口连接、另一端与所述磁屏蔽的液氮出口连接，用于将所述磁屏蔽与所述冷屏之间的液氮排出。

进一步的，所述真空容器由真空筒体1和真空容器顶盖15构成，所述真空容器顶盖15上布置有真空抽口，用于连接真空泵。

进一步的，所述真空筒体1与所述真空容器顶盖通过螺栓连接；所述真空容器的材料为不锈钢316L。

进一步的，所述磁屏蔽由磁屏蔽桶3和磁屏蔽顶盖16构成，所述磁屏蔽顶盖16通过所述支撑杆4与所述真空容器顶盖15固定，所述磁屏蔽桶3的上端侧壁通过磁屏蔽固定件紧固件9与所述真空筒体1连接。

进一步的，所述冷屏的顶盖17通过所述支撑杆4与所述真空容器顶盖15固定，所述冷屏的筒体2通过螺栓与所述顶盖17连接。

进一步的，所述真空容器内设有均匀分布的四个支撑杆4；每一所述支撑杆4的4K漏热量Q不高于0.1W，重量不低于200kg；其中，根据漏热量

确定所述支撑杆4的结构尺寸，A为截面积，λ为导热率，T为温度。

进一步的，所述真空容器上还设有传感器接口13和加热器通道18；所述传感器接口13用于将待测超导腔上安装的传感器的信号线导出，所述加热器通道18用于将待测超导腔上安装的加热器的电线导出。

一种基于所述低温恒温器的超导腔降温方法，其特征在于，采用两阶段降温方式，第一阶段，打开液氮入口阀门对冷屏进行降温，当冷屏降至液氮温区后，关闭液氮进口阀门；第二阶段，开启脉冲管制冷机10，采用脉冲管制冷机10的一级冷头8继续给冷屏进行降温，直至冷屏的温度至稳定值。

进一步的，所述真空容器的液氮出口与一汽化器相连，用于将导出的液氮汽化后排出室外大气。

本发明的优点如下：

该低温恒温器的设计考虑了传导冷却超导腔的测试效率、不同腔型的空间要求、不同低温实验的信号传输通道接口等综合因素，可以满足传导冷却超导腔的低温测试以及传导冷却结构的工艺研究。相较传统的用于超导腔测试的垂直测试杜瓦，该恒温器的降温和复温时间得到了大幅缩短，极大提升了测试效率。同时也降低了体积和造价。也可作为低温实验平台，用于其他低温测量实验。

附图说明

图1为恒温器结构图。

图2为真空容器顶盖结构图。

附图标记：1-真空筒体，2-40～50K冷屏筒体，3-磁屏蔽桶，4-支撑杆，5-测试超导腔，6-超导腔支撑板，7-柔性导热材料连接单元，8-一级冷头，9-磁屏蔽固定件，10-脉冲管制冷机，11-真空抽口，12-支撑杆调节装置，13-传感器接口，14-射频信号出入开口，15-真空容器顶盖，16-磁屏蔽顶盖，17-冷屏上部顶盖，18-加热器通道，19-液氮输入管，20-液氮输出管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明设计了一种采用脉冲管制冷机作为冷源的低温恒温器，该恒温器包括真空容器、冷屏、磁屏蔽、支撑杆、超导腔支撑板、脉冲管制冷机等部件，使用液氮和制冷机两阶段降温的方式进行降温。

该发明的主要突出特点有：

冷屏内部即为实验测试的主要空间，在该空间中，可以通过修改支撑板的形状，以满足不同类型传导冷却超导腔的测试任务。针对不同的超导腔的形状和尺寸，设计对应的支撑板对超导腔进行支撑。此外，该容器也可以用于传导冷却工艺的研究，包括材料的热物性测量、不同材料连接的接触热阻测量等实验。恒温器的具体结构以及材料介绍如下：

特点1.

真空容器，真空容器由真空筒体1和真空容器顶盖15构成，两者之间通过螺栓连接。真空容器采用不锈钢316L，真空容器顶盖15上布置有真空抽口连接真空泵。要求降温到位之后，真空容器的压力低于10^-6Pa。

特点2.

磁屏蔽分为两个部分组成，上部的磁屏蔽顶盖16通过G10材料制成的支撑杆4与真空容器顶盖15固定，磁屏蔽桶3的上端侧壁通过G10材料制成的磁屏蔽固定件9与真空筒体1连接。使用磁屏蔽后要求恒温器中超导腔附近的磁场小于10mG，为了满足这一要求，在恒温器设计过程中为磁屏蔽的安装留有足够的空间，以保证其结构不发生变形，甚至发生短路降低屏蔽效果，此外处于磁屏蔽内部的材料，均需要经过去磁处理。

特点3.

冷屏主要用于降低常温端的辐射热。冷屏也分为两个部分。冷屏的上部顶盖17通过支撑杆4与真空容器顶盖15固定，冷屏下部筒体2使用螺栓与上部顶盖17连接。制冷机的一级冷头8与冷屏上部顶盖17，一级冷头8下端的二级冷头通过柔性导热材料连接单元7与超导腔连接以降低冷头的振动，并保证良好的传热。要求降温到位之后，冷屏的最高温度低于52K，且温差不超过5K。冷屏的外部会包裹绝热材料进一步降低漏热，此外冷屏温度的均匀性也很重要，因此选择高导热率的AL制作冷屏，从而保证冷屏的辐射漏热不高于0.2W。

特点4.

超导腔支撑板6通过支撑杆4与真空容器顶盖17连接，针对不同的实验内容，可以重新修改支撑板的形状。由于支撑板直接与超导腔相连，需要保证足够的机械强度以及绝热性能，并且尽量降低其重量。

特点5.

脉冲管制冷机10的一级冷头8下端的二级冷头会通过柔性导热材料与超导腔或者待测试的冷却结构连接。二级冷头为4K温区降温的主要路径，为了提高实验的效率，需要加快降温速率，所以4K温区的冷质量应该优化至最佳值。根据设计要求，四个支撑杆的4K漏热不高于0.1W，称重重量不低于200kg。整个设备的降温应该控制在12小时之内完成；在测试装置(比如待测试的超导腔)上一般布置有加热器，用于调节降温速度。

支撑杆的设计需要满足传热和强度要求，材料为G10。漏热以热传导为主，漏热量为：

其中，Q为漏热量，单位为W，A为截面积，单位为m²，λ为导热率，单位为W/(m K)，T为温度，单位为K。

正应力为：

其中，σ为正应力，MPa，W为拉伸或压缩载荷，N，[σ]为材料的许用拉应力。设计的结构应该满足正应力的许用要求。

为了降低漏热，材料的截面积应该尽可能地小，截面积主要受许用拉应力地限制，因此需要尽可能降低冷质量的质量，这样既可以保证降低支撑杆的漏热，满足支撑杆的强度要求，也能减少降温的时间。

特点6

为了较少降温时间，提高测试效率，对冷屏采用两阶段降温方式，在冷屏上设计了一液氮回路用于预冷。第一阶段，打开液氮入口阀门，将冷屏降低至液氮温区。当冷屏降至液氮温区后，关闭液氮进口阀门。第二阶段，开启脉冲管制冷机，采用脉冲管制冷机的一级冷头继续给冷屏进行降温，直至冷屏的温度至稳定值。为了降低液氮入口、出口管道的漏热，在液氮管道出入口位置，靠近真空顶盖的位置布置波纹管，采用波纹管延长导热路径的方式降低通过管道的室温端的漏热；波纹管是管道的一部分，起到补偿冷缩以及降低漏热的作用。冷屏降温所需的液氮通过移动的液氮杜瓦罐提供，液氮出口与一汽化器相连，排出室外大气。该设计可以大幅减少降温时间，提高超导腔的测试效率。

特点7

该低温恒温器也可用于材料物性参数、接触热阻等需要低温真空环境的测量。在恒温器的真空容器顶盖上，预留了传感器接口13和加热器通道18。进行物性测量时，待测材料和相关的夹持装置、加热器、传感器等可固定放置在支撑板上，测量材料物性参数、接触热阻所需的低温端由脉冲管制冷机的二级冷头提供，热端通过加热器控制。温度传感器的线缆、加热器的电源、信号线缆等均通过真空容器顶盖穿出。还预留了射频信号出入开口14，用于超导腔测试时通过射频信号出入开口14馈入微波功率以及信号传输。

测试开始前安装超导腔或者相关设备时，采用吊车将真空容器顶盖15吊起，分开冷屏顶盖与下部的连接，即可在支撑板上更换新的实验装置。包括传感器、加热器等测量仪器的更换。安装完成之后，先连接冷屏，保证冷屏顶盖与下部连接紧密。然后在冷屏的外部包裹绝热材料。包裹绝热材料的过程中应该保证环境干燥无尘。包裹结束后即可将真空容器顶盖吊入真空容器中进行安装。安装完成后应进行检漏。

进行材料热物性、接触热阻测量时，恒温器可以提供稳定的真空环境，以及相关的传感器、加热器信号通道。制冷机可以提供不同的温度和冷量，获得较宽温区的实验数据。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (9)

1.一种用于传导冷却超导腔测试的低温恒温器，其特征在于，包括一真空容器，所述真空容器内设有一支撑杆(4)，所述支撑杆(4)与所述真空容器的顶盖连接；所述真空容器内设有一磁屏蔽，所述磁屏蔽内设有一冷屏；所述冷屏内设有一超导腔支撑板(6)，用于连接固定待测试的超导腔；

所述磁屏蔽、所述冷屏和所述超导腔支撑板(6)分别与所述支撑杆(4)连接固定；

所述真空容器上布置有真空抽口(11)，用于连接真空泵；

所述真空容器上设有脉冲管制冷机(10)，所述脉冲管制冷机(10)的一级冷头(8)穿过所述磁屏蔽的顶盖与所述冷屏的顶盖连接；所述一级冷头(8)下端的二级冷头穿过所述冷屏的顶盖通过柔性导热材料连接单元(7)与所述超导腔连接，用于将所述脉冲管制冷机(10)产生的冷量传输给所述超导腔；

所述真空容器上设有液氮输入管(19)和液氮输出管(20)，所述液氮输入管(19)一端与所述真空容器上的液氮入口连接、另一端与所述磁屏蔽的液氮入口连接，用于将液氮输入所述磁屏蔽与所述冷屏之间的空间，对所述冷屏进行冷却；所述液氮输出管(20)一端与所述真空容器的液氮出口连接、另一端与所述磁屏蔽的液氮出口连接，用于将所述磁屏蔽与所述冷屏之间的液氮排出。

2.根据权利要求1所述的低温恒温器，其特征在于，所述真空容器由真空筒体(1)和真空容器顶盖(15)构成，所述真空容器顶盖(15)上布置有真空抽口，用于连接真空泵。

3.根据权利要求2所述的低温恒温器，其特征在于，所述真空筒体(1)与所述真空容器顶盖通过螺栓连接；所述真空容器的材料为不锈钢316L。

4.根据权利要求2所述的低温恒温器，其特征在于，所述磁屏蔽由磁屏蔽桶(3)和磁屏蔽顶盖(16)构成，所述磁屏蔽顶盖(16)通过所述支撑杆(4)与所述真空容器顶盖(15)固定，所述磁屏蔽桶(3)的上端侧壁通过磁屏蔽固定件紧固件(9)与所述真空筒体(1)连接。

5.根据权利要求2所述的低温恒温器，其特征在于，所述冷屏的顶盖(17)通过所述支撑杆(4)与所述真空容器顶盖(15)固定，所述冷屏的筒体(2)通过螺栓与所述顶盖(17)连接。

6.根据权利要求1～5任一所述的低温恒温器，其特征在于，所述真空容器内设有均匀分布的四个支撑杆(4)；每一所述支撑杆(4)的4K漏热量Q不高于0.1W，重量不低于200kg；其中，根据漏热量

确定所述支撑杆(4)的结构尺寸，A为截面积，λ为导热率，T为温度。

7.根据权利要求1～5任一所述的低温恒温器，其特征在于，所述真空容器上还设有传感器接口(13)和加热器通道(18)；所述传感器接口(13)用于将待测超导腔上安装的传感器的信号线导出，所述加热器通道(18)用于将待测超导腔上安装的加热器的电线导出。

8.一种基于权利要求1所述低温恒温器的超导腔降温方法，其特征在于，采用两阶段降温方式，第一阶段，打开液氮入口阀门对冷屏进行降温，当冷屏降至液氮温区后，关闭液氮进口阀门；第二阶段，开启脉冲管制冷机(10)，采用脉冲管制冷机(10)的一级冷头(8)继续给冷屏进行降温，直至冷屏的温度至稳定值。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述真空容器的液氮出口与一汽化器相连，用于将导出的液氮汽化后排出室外大气。

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