CN1257373C - 高温超导量子干涉器用可调距液氮金属杜瓦 - Google Patents

Abstract

高温超导量子干涉器用可调距液氮金属杜瓦主要包括内筒、外筒、颈管、冷指、距离调节及保护系统、吸气剂和多层绝热体。杜瓦主体材料采用无磁不锈钢。高温SQUID粘贴在无氧铜冷指外底面，冷指中空，工作时充满液氮，从而既保证高温SQUID能工作在适宜的低温区，又能通过距离调节及保护系统使探测窗口与高温SQUID间的距离在0.1-8毫米间无级调节，使高温SQUID尽可能接近被测物。杜瓦内外筒体之间的真空夹层的真空度达到1*10^-4Pa，并在内筒和颈管外壁上缠绕40层两面喷铝涤纶薄膜，构成高真空多层绝热体，并在多层绝热体内放置吸气剂。该杜瓦可以满足高温SQUID在高灵敏度弱电磁测量中的要求，在地球物理、生物磁学和磁异常探测等领域有广泛的应用。

Description

高温超导量子干涉器用可调距液氮金属杜瓦

技术领域：

本发明涉及的是一种液氮金属杜瓦。特别是一种能使高温超导量子干涉器(SQUID)保持在适宜的工作温度，又能实现探测窗口与高温SQUID间的距离在0.1-8毫米间无级调节的高温超导量子干涉器用可调距液氮金属杜瓦。属于低温工程、超导应用技术领域。

背景技术：

超导量子干涉器(SQUID)是一种能测量出微弱磁通变化的高灵敏度的器件。这种器件必须置于低温和无磁环境中，低温可以保证该器件处于超导状态，无磁则可以保证能测量出微弱的磁通变化信号。SQUID可以分为液氦温区SQUID(低温SQUID)和液氮温区SQUID(高温SQUID)。液氦温区SQUID灵敏度较高，但由于昂贵的液氦运行费用，使该技术的应用范围受到很大限制。而二十世纪八十年代后开发的液氮温区SQUID则在地球物理、生物磁学和磁异常探测等领域显示了强大的生命力，并得到迅速发展。随着液氮温区SQUID(高温SQUID)研究的深入，对与之配套的液氮杜瓦的需求也日趋迫切。特别是能够灵活调节高温SQUID与被测物间距离的液氮杜瓦将有效满足不同用途的高温SQUID需求。

在已有技术中，发表于《低温工程》1996年第五期的“异形液氮无磁杜瓦的研制”一文，采用自行配制的低温玻璃钢材料，通过蜡模一次成型法制作内胆和外壳，使液氮杜瓦封头的力学性能较好、重量较轻。但玻璃钢杜瓦制作工艺要求高，强度不如金属杜瓦，SQUID与被测物间的距离不能调节。发表于《稀有金属》第24卷第4期的“高温SQUID磁强计无损检测装置及其在无损检测中的应用研究”一文，设计了无磁不锈钢杜瓦，该杜瓦为广口容器，未设计颈管，漏热很大，液氮蒸发的噪声可能影响磁场的探测，其SQUID虽然也放置在真空夹层内，但SQUID与探测窗口间的距离不能调节。随着高温SQUID技术的不断发展和对探测水平要求的不断提高，这样的液氮金属杜瓦不能满足微弱电磁场和高灵敏度测量的要求。

发明内容：

为了克服已有技术的不足和缺陷，本发明设计一种能满足地球物理、生物磁学和磁异常探测要求的液氮金属杜瓦，本发明采用了一套距离调节及保护系统，使安装高温SQUID的冷指底面到探测窗口间的距离可以在0.1-8毫米内无级调节，以满足高温SQUID在微弱、高灵敏度电磁测量中的应用。

本发明主要包括内筒、外筒、颈管、冷指、距离调节及保护系统、吸气剂和多层绝热体。内筒、外筒、颈管和距离调节及保护系统中除盖板外均由无磁不锈钢制成。冷指和调距系统盖板采用导热良好的无氧铜材料。为保证高温SQUID能工作于适宜的低温区，又避免受到外界杂质和水汽的干扰，将高温SQUID粘贴在无氧铜冷指外底面，即杜瓦内外筒之间的真空夹层中。冷指采用导热性能良好的无氧铜，用车床加工成一大一小两个连成一体，上端敞口，底部封闭的空心圆柱体。工作时，杜瓦内筒和冷指内都充满液氮，这样，通过无氧铜冷指引出液氮的冷量，保证了高温SQUID工作在适宜的温度下。无氧铜冷指上端与不锈钢杜瓦内筒下底板通过氩弧焊焊接在一起，下端外底面抛光后粘贴SQUID。为了满足高温SQUID在微弱、高灵敏度电磁测量时的应用，要尽量减小SQUID与待测物间的距离，通过距离调节及保护系统来实现SQUID与探测窗口间的不同距离的调节。距离调节及保护系统由挂钩、固定螺母、调距螺母、波纹管、蓝宝石片、调距系统盖板、调距块、定位销、限位圈组成。距离调节及保护系统通过挂钩与外筒下底板用螺栓连接。调距系统盖板由无氧铜制成，中心开一个比冷指底部直径稍大的孔，即探测窗口。该窗口材料为厚度为0.06-0.07毫米的圆形蓝宝石片通过低温胶(俄罗斯的Bφ胶或低温4胶)与调距系统盖板贴合密封。这样，既可以保证冷指和SQUID处于真空腔体内，又能保证微弱的电磁信号通过探测窗口进入杜瓦，被SQUID探测到。距离调节及保护系统通过波纹管的可伸缩性，实现调距系统盖板与冷指间的距离调节，即探测窗口与SQUID间的距离调节。SQUID探测到的信号可以通过杜瓦上盖板的真空引线接头孔中的真空引线接头引出杜瓦。为了减少漏热，杜瓦内、外筒间的夹层通过真空抽嘴进行抽真空，真空度达到1*10^-4Pa，并在内筒和颈管外壁面上缠绕40层两面喷铝涤纶薄膜，作为多层绝热体。多层绝热体内放置活性炭和氧化钯烧结而成的高效吸气剂。

该杜瓦气密性好、真空度高、绝热效果较好，可满足较长时间工作要求。距离调节方便，保护措施周到，可以测量微弱电磁场并具有较高灵敏度。可以满足高温SQUID在高灵敏度弱电磁测量中的要求，在地球物理、生物磁学和磁异常探测等领域有广泛的应用。具有显著的经济效益和社会效益。

附图说明：

图1为高温超导量子干涉器用可调距液氮金属杜瓦结构示意图。

图2为距离调节及保护系统的结构示意图。

图中1是外筒，2是内筒，3是距离调节及保护系统，4是冷指，5是法兰，6是密封圈，7是颈管，8是吸气剂，9是多层绝热体，10是外筒下底板，11是挂钩，12是固定螺母，13是调距螺母，14是波纹管，15是蓝宝石片，16是调距系统盖板，17是调距块，18是定位销，19是限位圈，20是内筒下底板，21是内筒筒体，22是内筒上盖板，23是外筒筒体，24是螺孔，25是真空抽嘴孔，26是真空引线接头孔，27上盖板

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述：

如图1，图2所示，本发明主要包括：外筒1、内筒2、距离调节及保护系统3、冷指4、颈管7、吸气剂8、多层绝热体9。

外筒1由圆柱形的外筒筒体23与外筒下底板10和法兰5焊接而成，法兰5上开密封圈槽，装密封圈6，通过螺孔24中的螺栓与上盖板27连接并密封。内筒2由圆柱形的内筒筒体21与内筒下底板20和内筒上盖板22焊接而成。颈管7穿过上盖板27和内筒上盖板22，并分别与之焊接在一起。在上盖板27上开真空抽嘴孔25，接上真空抽嘴后，可对内筒2和外筒1之间的空间抽真空，真空度要求达到1*10^-4Pa，并在内筒筒体21和颈管7外壁面上缠绕40层两面喷铝涤纶薄膜，构成多层绝热体9。在多层绝热体9内放置有活性炭和氧化钯烧结而成的高效吸气剂8，用来吸附剩余氢气、高分子气体和空气。高真空、多层绝热体9和吸气剂8共同保证了本液氮金属杜瓦良好的绝热性能，可满足较长时间工作要求。在上盖板27上还要开真空引线接头孔26，安装真空引线接头后将SQUID测量得到的信号输出杜瓦。

冷指4是用车床将无氧铜棒车成一大一小上下两个连成一体，上端敞口，底部封闭的空心圆柱体。冷指4上端用氩弧焊同不锈钢内筒下底板20焊接在一起。冷指4下端的外底面抛光后，粘贴SQUID，工作时，液氮由颈管7上端开口加注到冷指4和杜瓦内筒2内。为了满足高温SQUID在微弱、高灵敏度电磁测量时的应用，要尽量减小SQUID与待测物间的距离，该距离通过距离调节及保护系统3来实现。距离调节及保护系统3通过螺栓与外筒下底板10连接。

距离调节及保护系统3由挂钩11、固定螺母12、调距螺母13、波纹管14、调距系统盖板16、调距块17、定位销18、限位圈19和蓝宝石片15组成。距离调节及保护系统3通过挂钩11与外筒下底板10用螺栓12连接。波纹管14上端与杜瓦外筒下底板10焊接在一起，下端与调距块17焊接在一起。该波纹管14可以实现最大8毫米的变形量，以保证安装高温SQUID的冷指4底面到探测窗口间的距离在0.1-8毫米内无级调节。调距块17与调距系统盖板16通过螺母连接在一起，为了保证对中，调距系统盖板16上开的螺孔略大，使其能够在水平方向实现微调。调距系统盖板16上表面开密封槽，通过金属或橡胶密封圈与调距块17密封。调距系统盖板16由无氧铜制成，中心开一个比冷指4底部直径稍大的孔，即探测窗口。该窗口用厚度为0.06-0.07毫米的圆形蓝宝石片15通过低温胶(俄罗斯的Bφ胶或低温-4胶)与调距系统盖板16贴合密封。这样，可以保证冷指4和SQUID处于真空腔内。另外，极薄的蓝宝石片15作为探测窗口材料即可以保证微弱电磁场信号的传入，又可以使SQUID与蓝宝石15间的最小距离可以达到0.1毫米左右。调距块17与调距螺母13通过螺纹配合，调距螺母13外周滚花，旋转调距螺母13，调距块17就会产生上下移动，由于波纹管14具有弹性伸缩性，可带动调距系统盖板16上下移动，实现探测窗口与SQUID，即蓝宝石片15与冷指4外底面间距离的调节。定位销18上端通过螺纹与杜瓦外筒下底板10连接，下端插入调距块17上的定位销孔中，可以防止波纹管的横向变形，定位销18的长度经严格计算确定，使调距系统盖板16向上调节时，在冷指4底面接近蓝宝石片15时，定位销18即抵住定位销孔底，以保证不会因误操作而使冷指4戳破蓝宝石片15。调距螺母13挂在固定在杜瓦外筒下底板10上的挂钩11上。限位圈19上端焊接在杜瓦内筒下底板20上，下端接近外筒下底板10，但不接触。限位圈19的作用是在杜瓦内筒意外复温膨胀时，抵住外筒下底板10，限制其向下的膨胀，保护蓝宝石片15不被冷指4戳破。限位圈19的高度也要根据材料膨胀特性计算后确定。

冷指4和调位系统盖板16采用无氧铜材料，外筒1、内筒2、颈管7以及距离调节及保护系统3中除调位系统盖板16以外的部分均由无磁不锈钢材料制成。

Claims (4)

1、一种高温超导量子干涉器用可调距液氮金属杜瓦，包括外筒(1)、内筒(2)、颈管(7)、吸气剂(8)、多层绝热体(9)，其特征在于还包括距离调节及保护系统(3)、冷指(4)，外筒(1)由圆柱形的外筒筒体(23)与外筒下底板(10)和法兰(5)焊接而成，法兰(5)上开密封圈槽，装密封圈(6)，通过螺孔(24)中的螺栓与上盖板(27)连接并密封，内筒(2)由圆柱形的内筒筒体(21)与内筒下底板(20)和内筒上盖板(22)焊接而成，颈管(7)穿过上盖板(27)和内筒上盖板(22)，并分别与之焊接在一起，在上盖板(27)上开真空抽嘴孔(25)和真空引线接头孔(26)，冷指(4)是用车床将无氧铜棒车成一大一小上下两个连成一体，上端敞口，底部封闭的空心圆柱体，冷指(4)上端用氩弧焊同不锈钢内筒下底板(20)焊接在一起，下端外底面抛光，超导量子干涉器粘贴在抛光后的冷指(4)外底面上，距离调节及保护系统(3)通过螺栓与外筒下底板(10)连接，液氮由颈管(7)上端开口加注到冷指(4)和杜瓦内筒(2)内，距离调节及保护系统(3)包括挂钩(11)、固定螺母(12)、调距螺母(13)、波纹管(14)、调距系统盖板(16)、调距块(17)、定位销(18)、限位圈(19)和蓝宝石片(15)，距离调节及保护系统(3)通过挂钩(11)与外筒下底板(10)用固定螺母(12)连接，波纹管(14)上端与外筒下底板(10)焊接在一起，下端与调距块(17)焊接在一起，调距块(17)与调距系统盖板(16)密封连接，调距系统盖板(16)中心开有探测窗口，探测窗口上贴有蓝宝石片(15)，调距块(17)与调距螺母(13)通过螺纹配合；旋转调距螺母(13)，调距块(17)就会产生上下移动，通过波纹管(14)带动调距系统盖板(16)上下移动，实现探测窗口与超导量子干涉器，即蓝宝石片(15)与冷指(4)外底面间距离的调节；定位销(18)上端通过螺纹与杜瓦外筒下底板(10)连接，下端插入调距块(17)上的定位销孔中，调距螺母(13)挂在固定在杜瓦外筒下底板(10)上的挂钩(11)上，限位圈(19)上端焊接在杜瓦内筒下底板(20)上，下端接近外筒下底板(10)。

2、根据权利要求1所述的高温超导量子干涉器用可调距液氮金属杜瓦，其特征是所述的距离调节及保护系统(3)中，调距系统盖板(16)与调距块(17)的密封连接是通过在调距系统盖板(16)上表面开密封槽、用金属或橡胶密封圈密封并通过螺母与调距块(17)紧固在一起；调距系统盖板(16)中心探测窗口的直径略大于冷指(4)底部直径；圆形蓝宝石片(15)的厚度为0.06-0.07毫米，蓝宝石片(15)通过低温胶，即俄罗斯Bφ胶或低温4号胶与调距系统盖板(16)贴合密封；调距螺母(13)外周滚花。

3、根据权利要求1所述的高温超导量子干涉器用可调距液氮金属杜瓦，其特征是，所述的内筒筒体(21)和颈管(7)外壁面上缠绕四十层两面喷铝涤纶薄膜，构成多层绝热体(9)，在多层绝热体(9)内放置有活性炭和氧化钯烧结而成的高效吸气剂(8)，外筒1与内筒(2)之间的夹层通过真空抽嘴孔(26)中的真空抽嘴进行抽真空，真空度为1*10^-4Pa。

4、根据权利要求1所述的高温超导量子干涉器用可调距液氮金属杜瓦，其特征还在于冷指(4)和调位系统盖板(16)采用无氧铜材料，外筒(1)、内筒(2)、颈管(7)以及距离调节及保护系统(3)中除调位系统盖板(16)以外的部分均由无磁不锈钢材料制成。

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