CN203561741U

CN203561741U - 一种结构紧凑的模块化超导电子设备吊舱

Info

Publication number: CN203561741U
Application number: CN201320749966.6U
Authority: CN
Inventors: 伍俊; 荣亮亮; 王会武; 邱隆清; 常凯; 孔祥燕; 谢晓明
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2023-11-25

Abstract

本实用新型公开了一种结构紧凑的模块化超导电子设备吊舱，其特征在于：（a）所述的吊舱由上端盖、下端盖、外壳和穿舱件组成，吊舱穿舱件则固定于上端盖中心；（b）吊舱采用紧凑的三个偏心圆堆板材构建模块化堆栈结构，在防止杜瓦缸体外侧的真空抽气阀磕碰的前提下，为超导磁传感器组件和测控组件提供支撑，实现杜瓦和堆栈组件的一体化；其中由3个偏心圆板材构建的模块化堆栈结构通过缸体和塞子之间加长的螺栓与杜瓦刚性连接，而堆栈组件的各偏心圆板材结构件则通过螺纹杆连接；（c）SQUID器件和选用的直读式SBC放置在杜瓦缸体和杜瓦塞子组成的低温容器杜瓦中；所提供的吊舱，实现简单，成本低，可在有限的空间内保障超导电子设备的可维护性、可扩展性和环境适应性。

Description

一种结构紧凑的模块化超导电子设备吊舱

技术领域

本实用新型涉及一种电子设备吊舱，更确切地说本实用新型内部集成低温容器杜瓦及其附属测控装置的一种结构紧凑的模块化超导电子设备吊舱。属于超导应用领域

背景技术

磁法是地球物理勘探中非常重要的手段，具有探测深度大、野外实施简便等优点，其磁传感器是决定系统探测深度和精确度的关键组件。超导量子干涉仪（SQUID：Superconducting QUantum Interference Device）目前是世界上已知最灵敏的磁测量传感器，相对光泵等其他磁传感器起码要高2～3个数量级，将其应用于地球物理探测可显著提升物探磁测的技术水平。

无论是低温超导还是高温超导，SQUID均需要在杜瓦中装载液氦或者液氮此类的低温液体提供其进入超导状态的必备工作环境。在常见的航空磁法和水下考古等应用领域，鉴于SQUID具有十分灵敏的磁敏感性，由其构建的磁强计和梯度计需放置在杜瓦中以吊舱的方式工作，以远离机体、船体等铁制的运动平台。此外，鉴于SQUID对涡流的敏感性，吊舱宜采用非金属材料制造，同时受定向密封性、抗压性等外部条件、杜瓦尺寸和加工原材料的限制，吊舱的直径不宜过大以避免采用拼接工艺。最后，在吊舱的设计过程中，还需要兼顾SQUID对射频的敏感性和在运动状态下杜瓦内低温液体加速挥发的所带来的影响。

当前国土资源部和财政部虽有航空超导相关研发项目的立项，但国内外尚没有超导电子设备吊舱内部结构的相关报道。因此如何在空间有限的前提下，采用非金属材料实现超导电子设备吊舱的可扩展、可维护和电磁兼容性是一个全新的研究领域。换而言之，一个具有良好顶层涉及的超导电子设备吊舱不但会降低其对搭载平台的要求，而且能极大地推动SQUID在这些应用领域的广泛应用。

实用新型内容

为了解决超导电子设备吊舱在有限空间内的可扩展和可维护性等工程问题，本实用新型的目的在于提供一种结构紧凑的模块化超导电子设备吊舱，本实用新型所提供吊舱不仅具备紧凑的模块化框架结构，而且能有效地保障SQUID读出电路的电磁兼容和环境适应性。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：超导电子设备吊舱与普通吊舱一样通常由机械组件和舱载设备两大部分构成，其中舱载设备主要包含杜瓦及其服务的超导磁传感器组件和测控组件，而与普通吊舱的区别之处在于杜瓦内部需灌装4K左右的液氦（低温超导）以及SQUID对工作环境的敏感性，这些敏感因素包括涡流、射频、振动和运动的磁性物体，从而导致超导电子设备吊舱的设计与制造展现出极大的不同，其中最大的不同是机械组件的非金属化。

本实用新型提出的超导电子设备吊舱选用工业上大量应用的尼龙作为机械组件的材料。鉴于吊舱工作环境的定向密封性和抗压性等设计需求，其外壳宜采用整体切削成型而非拼接的圆柱体结构，但受原材料规格和定制成本的限制，吊舱在容纳杜瓦后的径向空间并不富裕，并且还须在吊舱的上部为容纳超导磁传感器和测控组件预留空间。此外，在吊舱的底部放置减震垫用于削弱外部振动对杜瓦的影响，同时在吊舱上端盖与偏心圆堆栈组件之间放置珍珠棉类的软性泡沫材料限位超导电子设备。

杜瓦由通过螺栓相互连接的缸体和塞子（Insert）组成，结合其圆柱形缸体外侧有个突出真空抽气阀的特点，吊舱采用紧凑的偏心圆堆栈结构在防止真空抽气阀磕碰的前提下为超导磁传感器和测控组件提供支撑，其中由3个偏心圆板材组成的模块化堆栈组件通过缸体和塞子之间加长的螺栓与杜瓦刚性连接，而堆栈组件的各偏心圆板材结构件则通过定制的螺纹杆连接，所提供的结构不仅降低超导电子设备的空间需求，而且通用性和可维护性强，改变堆栈的级数则可适应不同通道数的超导磁传感器。

为保障SQUID读出电路的电磁兼容性能，将其分为通过光电隔离的磁通锁定模拟前端和数字控制端两部分，其中模拟前段通过易插拔的雷莫连接器与SQUID器件引出接口直连以减少外部干扰。此外，在铝制的模拟前端外壳上方放置与堆栈组件固定的压条以提供组件的环境适应性。SQUID读出电路的数字控制盒和测控组件通过螺栓与偏心圆板材连接。

在吊舱的上端盖设计气密性良好的穿舱件，SQUID读出电路和测控组件相关的光电线缆通过与穿舱件无缝连接的导气管与外界的主控上位机通讯，其中导气管用于吊舱工作时排出超导电子设备低温液氦的挥发气体，从而满足超导电子设备吊舱定向密封的设计要求。此外，杜瓦与堆栈组件的一体化设计使系统的可维护性得到加强，比如可利用堆栈组件中的偏心圆板材做提手方便在超导电子设备吊舱中放置或取出杜瓦。

综上所述，本实用新型提供的一种结构紧凑的模块化超导电子设备吊舱，其特征之一通过模块化的偏心圆堆栈结构在有限空间内实现杜瓦和堆栈组件的机电一体化设计，在圆柱形的非金属尼龙舱体内自下而上安装减震组件、杜瓦及与其一体化设计的超导磁传感器和测控组件和限位泡沫块，并定向密封地利用光电线缆与外界通讯。

其特征之二在于结合杜瓦的形体特点，采用模块化的偏心圆堆栈结构通过杜瓦固有密封螺栓与其一体化，其中超导磁传感器和测控组件固定于偏心圆堆栈结构中，从而在空间利用最大化的同时提高吊舱的可维护性和可扩展性。

其特征之三在于在有限的空间内利用软性材料在非刚性连接的情况下对超导电子设备进行限位和减震。

综上所述，本实用新型在紧凑的狭长空间内，取出和放置杜瓦的难度不小，采用一体化设计，利用偏心圆堆栈的中间的空间，则可以在有限的吊舱空间内保障超导电子设备的可维护性、可扩展性和环境适应性的同时，结合杜瓦自身的结构特点采用偏心圆的堆栈结构，结构简单、实现成本低。一体化的设计结构，可极大地方便吊舱的走线。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是超导电子设备吊舱的纵剖面主视结构框图。

图2是为图1A-A剖面的结构框图。

图中1.吊舱上端盖，2.测控组件，3.堆栈紧固螺母，4.第二组定制螺纹杆，5.第一组定制螺纹杆，6.堆栈紧固螺栓，7.杜瓦真空抽气阀，8.吊舱外壳，9.减震垫，10.吊舱下端盖，11.SQUID器件，12.杜瓦缸体，13.杜瓦塞子，14.雷莫连接器，15.加长的杜瓦密封螺栓，16.偏心圆板材A，17.SQUID读出电路模拟前端，18.偏心圆板材B，19.压条，20.偏心圆板材C，21.液氦，22.珍珠棉泡沫块，23.SQUID读出电路数字控制端，24.吊舱紧固螺栓，25.O型密封圈，26.吊舱穿舱件，27.压条紧固螺栓，28.SQUID读出电路数字控制端紧固螺栓，29.三轴SQUID磁强计支撑块。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、具体方案和优点更加清晰，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。

图1中的由3个SQUID器件11组成的3轴超导磁强计是本实用新型其它所有组件服务的对象，其中SQUID器件11通过低温胶固定于三轴SQUID磁强计支撑块29的表面，并选用一种新型的直读式SBC（SQUID Boottrap Circuit），放置在由杜瓦缸体12和杜瓦塞子13组成低温容器杜瓦中。当杜瓦罐装液氦21后SQUID器件11进入超导状态，通过SQUID读出电路模拟前端17和数字控制端23实现外界磁场到模拟电压信号的线性变换，然后由测控组件完成SQUID读出电路工作参数优化以及被测量的模数转换、存储和传输等任务。

上文提及的组件为超导电子设备的核心组成部分，其中SQUID读出电路模拟前端17与SQUID器件11通过雷莫公司的标准10芯雷莫连接器14直连，并利用固定于偏心圆板材B18上的压条19对其进行加固，从而提高超导电子设备的电磁兼容和环境适应能力。

鉴于杜瓦缸体12外侧突出的真空抽气阀7，基于偏心圆板材A16，偏心圆板材B18，偏心圆板材C20构建紧凑的模块化堆栈结构，偏心圆结构可在保护真空抽气阀7的基础上，有效利用吊舱的空间。其中杜瓦通过自身加长的密封螺栓15与偏心圆板材A16刚性连接，偏心圆板材A16又依次通过堆栈紧固螺栓6、第一组定制螺纹杆5、第二组定制螺纹杆4和堆栈紧固螺母3与偏心圆板材B18和偏心圆板材C20连接。偏心圆板材B18通过紧固螺栓27和紧固螺栓28依次与压条19和SQUID读出电路数字控制端23刚性连接，同样偏心圆板材C20通过紧固螺栓与测控组件2连接。

超导电子设备放置于由上端盖1、下端盖10、外壳8和穿舱件26组成的尼龙吊舱内，其中吊舱的上端盖1和下端盖10分别通过6个对称的吊舱紧固螺栓24和一条O型密封圈25与吊舱外壳8形成密封舱体，吊舱穿舱件26则固定于上端盖1中心。杜瓦缸体12通过减震垫9与吊舱下端盖10接触，而堆栈顶部的偏心圆板材C20则通过软性材料珍珠棉泡沫块22与吊舱上端盖1接触，以对超导电子设备减振和限位。此外，超导电子设备外壳8是在标准尺寸的圆柱体尼龙坯料上通过机械切削而整体成型，以提高其机械强度和密封性。

图2中SQUID读出电路数字控制端23放置于板材B18偏置的反方向，而对应三个SQUID器件11的三套SQUID读出电路模拟前端17成一字形排开通过压条19加固。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种结构紧凑的模块化超导电子设备吊舱，包括机械组件和舱载设备两大部分，其特征在于：

（a）所述的吊舱由上端盖（1）、下端盖（10）、外壳（8）和穿舱件（26）组成，其中上端盖（1）和下端盖（10）分别通过6个对称的吊舱紧固螺栓（24）和一条O型密封圈（25）与吊舱外壳（8）形成密封舱体，吊舱穿舱件（26）则固定于上端盖（1）中心；

（b）吊舱采用紧凑的三个偏心圆堆板材构建模块化堆栈结构，在防止杜瓦缸体（12）的外侧的真空抽气阀（7）磕碰的前提下，为超导磁传感器组件和测控组件提供支撑，实现杜瓦和堆栈组件的一体化；其中由3个偏心圆板材构建的模块化堆栈结构通过缸体和塞子之间加长的螺栓与杜瓦刚性连接，而堆栈组件的各偏心圆板材结构件则通过螺纹杆连接；

（c）SQUID器件和选用的直读式SBC放置在杜瓦缸体（12）和杜瓦塞子（13）组成的低温容器杜瓦中；杜瓦缸体（12）通过减震垫（9）与吊舱下端盖（10）接触，而堆栈顶部的偏心圆板材C（20）则通过软性材料珍珠棉泡沫块（22）与吊舱上端盖（1）接触，以对超导电子设备减震和限位。

2.按权利要求1所述的吊舱，其特征在于杜瓦通过自身加长的密封螺栓（15）与偏心圆板材A（16）刚性连接，偏心圆板材A（16）又依次通过堆栈紧固螺栓（6）、第一组定制螺纹杆（5）、第二组定制螺纹杆（4）和堆栈紧固螺母（3）分别与偏心圆板材B（18）和偏心圆板材C（20）连接，偏心圆板材B（18）通过紧固螺栓（27）和紧固螺栓（28）依次与压条（19）和SQUID读出电路数字控制端（23）刚性连接，偏心圆板材C（20）通过紧固螺栓与测控组件（2）连接。

3.按权利要求1所述的吊舱，其特征在于所述的SQUID器件为三个SQUID器件组成的三轴超导磁强针，通过低温胶固定于三轴SQUID磁强针支撑块的表面。

4.按权利要求3所述的吊舱，其特征在于SQUID器件的读出电路模拟前端（17）与SQUID器件（11）通过莫雷公司的标准10芯的莫雷连接器（14）直连，并利用固定于偏心圆板材B（18）上的压条（19）进行加固。

5.按权利要求1所述的吊舱，其特征在于吊舱的外壳（8）采用整体切削成型而非拼接的圆柱形结构。

6.按权利要求1所述的吊舱，其特征在于SQUID读出电路和测控组件的光电线缆通过与穿舱件无缝连接的导气管与外界的主控上位机通讯。

7.按权利要求3所述的吊舱，其特征在于三个SQUID器件（11）的三套SQUID读出电路模拟前端（17）成一字形排开，并通过压条（19）加固。