UA123837C2

UA123837C2 - CRYOMAGNETIC SYSTEM

Info

Publication number: UA123837C2
Application number: UAA201901127A
Authority: UA
Inventors: Дмитро Вікторович Варюхін; Микола Васильович Таряник; Дмитро Олегович Федюк
Original assignee: Дмитро Вікторович Варюхін; Микола Васильович Таряник; Дмитро Олегович Федюк
Priority date: 2019-02-04
Filing date: 2019-02-04
Publication date: 2021-06-09

Abstract

Кріомагнітна система належить до кріогенної техніки та технічної фізики. Система включає кріостат, який містить корпус, азотну і гелієву ємності, радіаційний екран та надпровідниковий соленоїд. В нижній частині корпусу кріостату виконано наскрізний горизонтальний циліндричний канал із установленою в ньому трубою, торці якої жорстко закріплені на корпусі кріостату. Гелієва ємність виконана у вигляді циліндра з наскрізним боковим циліндричним каналом й встановленою в ньому трубою з соленоїдом. Труби гелієвої ємності й горизонтального каналу корпусу є коаксіальні, а осі гелієвої ємності, соленоїда й горизонтального каналу корпусу кріостату співпадають. Зовні труби горизонтального отвору корпусу кріостату симетрично відносно центра соленоїда встановлено й жорстко закріплено три циліндричні вставки у вигляді тонкостінних порожнистих циліндрів, одну із вставок розміщено у центрі соленоїда, довжина якої залежить від намагніченості матеріалу вставки, сили магнітної взаємодії вставки й соленоїда, градієнту магнітного поля соленоїда в області розміщення вставки, а також внутрішнього та зовнішнього радіуса вставки. Дві інші вставки однакових розмірів встановлено симетрично відносно центра соленоїду зі сторони його торців за радіаційним екраном кріостату. При цьому діаметр внутрішнього отвору цих вставок становить не менше діаметру внутрішнього отвору соленоїда. Всі вставки виготовлено із феромагнітного матеріалу з високим значенням індукції насичення. Технічним результатом винаходу є спрощення кріомагнітної системи в цілому, підвищення її надійності та економічності в експлуатації при дії силових навантажень зі сторони зовнішнього магнітного оточення.The cryomagnetic system belongs to cryogenic engineering and technical physics. The system includes a cryostat, which contains a housing, nitrogen and helium tanks, a radiation shield and a superconducting solenoid. In the lower part of the body of the cryostat there is a through horizontal cylindrical channel with a pipe installed in it, the ends of which are rigidly fixed on the body of the cryostat. The helium tank is made in the form of a cylinder with a through lateral cylindrical channel and a tube with a solenoid installed in it. The tubes of the helium tank and the horizontal channel of the housing are coaxial, and the axes of the helium tank, the solenoid and the horizontal channel of the cryostat housing coincide. Outside the tubes of the horizontal hole of the cryostat body symmetrically relative to the center of the solenoid are installed and rigidly fixed three cylindrical inserts in the form of thin-walled hollow cylinders, one of the inserts is placed in the center of the solenoid. in the area of the insert, as well as the inner and outer radius of the insert. Two other inserts of the same size are installed symmetrically about the center of the solenoid on the side of its ends behind the radiation screen of the cryostat. The diameter of the inner hole of these inserts is not less than the diameter of the inner hole of the solenoid. All inserts are made of ferromagnetic material with a high value of saturation induction. The technical result of the invention is to simplify the cryomagnetic system as a whole, increase its reliability and efficiency in operation under the action of force loads from the external magnetic environment.

Description

При цьому діаметр внутрішнього отвору цих вставок становить не менше діаметру внутрішнього отвору соленоїда. Всі вставки виготовлено із феромагнітного матеріалу з високим значенням індукції насичення. Технічним результатом винаходу є спрощення кріомагнітної системи в цілому, підвищення її надійності та економічності в експлуатації при дії силових навантажень зі сторони зовнішнього магнітного оточення.At the same time, the diameter of the inner hole of these inserts is not less than the diameter of the inner hole of the solenoid. All inserts are made of ferromagnetic material with a high value of saturation induction. The technical result of the invention is the simplification of the cryomagnetic system as a whole, increasing its reliability and economy in operation under the action of force loads from the external magnetic environment.

Не : І: ня я | СЕК т її ї ту, їїNo : I: nya i | SEC t her y tu, her

КО : я | няKO: I | not

УТ еж кю Ко ! | 15 ї ТЕ рн - НеUT ezh kyu Ko! | 15th TE rn - No

Я рвннннно виш у нн он НИ овЩО он С Вау,I rvnnnnno vysh u nn he NI ovSCHO he S Wow,

В сне | о і їіIn a dream oh and her

ТО й Е Кн нн ни в яка ям й. 5 інж тету їйTO and E Kn nn we in what pit y. 5 Eng aunt her

І ІЗ вис ИН МН ЗІ нн енняAND FROM THE HEIGHTS OF THE MN OF THE NN

Фіг. 1Fig. 1

Винахід належить кріогенної техніки та технічної фізики й може бути використаний у складі кріомагнітної системи з надпровідниковим соленоїдом для створення сильного магнітного поля.The invention belongs to cryogenic engineering and technical physics and can be used as part of a cryomagnetic system with a superconducting solenoid to create a strong magnetic field.

Відома кріомагнітна система, яка описана у статі "Криомагнитная система мазера на циклотронном резонансе", ПТЗ, М5, 1989, с. 259. Кріомагнитна система містить металевий кріостат у складі гелієвої і азотної ємностей, радіаційні екрани з температурою 20, 50 й 77 К та надпровідникову магнітну систему, яку встановлено у гелієвій ємності кріостата. У нижній частині кріостату магнітна система співвісна наскрізному горизонтальному каналу діаметром 90 мм. Гелієва ємність підвішена на двох тонкостінних трубках - горловинах, які використовуються для заправки кріостату зрідженим гелієм, виходу парів гелію та розміщення пристроїв для живлення струмом магнітної системи. На дні кріостату встановлено пристрій фіксації гелієвої ємності з магнітною системою, який дозволяє передавати механічні зусилля від гелієвої ємності на корпус кріостату при транспортуванні. При роботі кріомагнітної системи у режимі створення магнітного поля пристрій фіксації гелієвої ємності видаляється і остання разом з азотною ємністю, радіаційними екранами залишається підвішеною лише на горловинах.A known cryomagnetic system is described in the article "Cryomagnetic maser system at cyclotron resonance", PTZ, M5, 1989, p. 259. The cryomagnetic system includes a metal cryostat with helium and nitrogen containers, radiation shields with temperatures of 20, 50, and 77 K and a superconducting magnetic system installed in the cryostat's helium container. In the lower part of the cryostat, the magnetic system is coaxial with a through horizontal channel with a diameter of 90 mm. The helium container is suspended on two thin-walled tubes - necks, which are used to fill the cryostat with liquefied helium, release helium vapors, and place devices for powering the magnetic system. A device for fixing the helium container with a magnetic system is installed at the bottom of the cryostat, which allows to transfer mechanical forces from the helium container to the cryostat body during transportation. During the operation of the cryomagnetic system in the mode of creating a magnetic field, the device for fixing the helium container is removed, and the latter, together with the nitrogen container, remains suspended only on the necks by radiation shields.

Недоліком цієї кріомагнітної системи є те, що вона не призначена для роботи в умовах дії силових зусиль збоку зовнішнього магнітного оточення, а також при відхиленні від вертикального положення.The disadvantage of this cryomagnetic system is that it is not designed to work under the conditions of the action of forces from the side of the external magnetic environment, as well as when it deviates from the vertical position.

Також відома кріомагнітна система, яка описана в а.с. М719361, М.Кл. НО1ТЕ 7/22, заявлена 06.11.1979 г. Відома система містить кріостат у складі корпусу, азотної та гелієвою ємності, в якій встановлено надпровідниковий соленоїд, а також радіаційний екран. Торцеві фланці каркасу соленоїда, гелієва ємність і верхня торцева частина радіаційного екрану виконано із низькотемпературного феромагнетика, наприклад, диспрозію; бокові стінки радіаційного екрану й корпусу кріостату виконано із феромагнетика з більш високою магнітною проникністю, наприклад, пермалою або мю-металу. У нижній частині кріостату, від гелієвої ємності до радіаційного екрана та від радіаційного екрана до корпуса, встановлено силові розтяжки з нержавіючої сталі, які використовуються для компенсації механічних зусиль магнітного походження при виникненні не співвісності виготовлених з магнітного матеріалу та намагнічених полем соленоїда вищеозначених вузлів кріостата.Also known is the cryomagnetic system, which is described in A.S. M719361, M.Kl. НО1ТЕ 7/22, declared on November 6, 1979. The known system includes a cryostat as part of the body, a nitrogen and helium container, in which a superconducting solenoid is installed, as well as a radiation shield. The end flanges of the solenoid frame, the helium tank and the upper end part of the radiation shield are made of a low-temperature ferromagnet, for example, dysprosium; the side walls of the radiation screen and the cryostat body are made of a ferromagnet with a higher magnetic permeability, for example, permal or mu-metal. In the lower part of the cryostat, from the helium container to the radiation screen and from the radiation screen to the case, stainless steel power struts are installed, which are used to compensate for mechanical forces of magnetic origin in the event of misalignment of the above cryostat nodes made of magnetic material and magnetized by the solenoid field.

До недоліків кріомагнітної системи відносяться:The disadvantages of the cryomagnetic system include:

Зо - складна конструкція за рахунок використання та установки системи силових розтяжок як між гелієвою ємністю і радіаційним екраном, так і між екраном та корпусом кріостату; - низька економічність за рахунок додаткового підводу тепла по розтяжках від кожуха до екрану та від екрану до гелієвої ємності й, відповідно, додаткових витрат зрідженого гелію.Zo - a complex design due to the use and installation of a system of power struts both between the helium container and the radiation shield, and between the shield and the cryostat body; - low cost-effectiveness due to the additional supply of heat through the stretchers from the casing to the screen and from the screen to the helium container and, accordingly, additional costs of liquefied helium.

Найбільш близьким до заявленого технічного рішення є кріомагнітна система гіротрона (Бородачева Т.В. и др. Сверхпроводящиєе магнитнье системь! гиротронов. В кн. Гиротрон, г.The closest to the declared technical solution is the cryomagnetic system of the gyrotron (Borodacheva T.V. et al. Superconducting magnetic systems! gyrotrons. In the book Gyrotron, p.

Горький, ИПФ АН СССР, 1981, с. 229-235). Кріомагнітна системи включає в себе гелієвий кріостат у складі корпусу, азотної й гелієвої ємностей, радіаційного екрану, а також над провідниковий соленоїд, який розміщено у гелієвій ємності. У нижній частині кріостату виконано наскрізним циліндричний горизонтальний "теплий" канал, вісь якого співпадає з віссю надпривідникового соленоїда. Жорсткість підвісу гелієвої ємності з соленоїдом у кріостаті забезпечується використанням вертикальних трубок та горизонтальних розтяжок. Одним кінцем трубки й розтяжки закріплено до гелієвої ємності з температурою 4,2 К, а іншим до корпусу кріостата з температурою 300 К.Gorky, IPF Academy of Sciences of the USSR, 1981, p. 229-235). The cryomagnetic system includes a helium cryostat as part of the body, nitrogen and helium containers, a radiation shield, as well as a superconductor solenoid, which is placed in the helium container. In the lower part of the cryostat, a cylindrical horizontal "warm" channel is made through and through, the axis of which coincides with the axis of the superconductor solenoid. The rigidity of the suspension of the helium tank with a solenoid in the cryostat is ensured by the use of vertical tubes and horizontal stretchers. One end of the tube and extension cord is attached to a helium container with a temperature of 4.2 K, and the other to a cryostat body with a temperature of 300 K.

Недоліком цієї кріомагнітної системи є: - ускладнення конструкції кріостату для забезпечення жорсткості підвісу гелієвої ємності з над провідниковим соленоїдом за рахунок використання додаткової системи вертикальних трубок і розтяжок, які розміщено у вакуумному об'ємі кріостату. Крім того, для забезпечення надійності високого вакууму у кріостаті необхідно виконувати спеціальні вузли для герметизації трубок і розтяжок у корпусі кріостату; - зниження надійності кріомагнітної системи за рахунок ускладнення конструкції кріостату при використанні вище означеної системи підвісу гелієвої ємності із соленоїдом; - зниження економічності при експлуатації кріомагнітної системи за рахунок додаткових витрат зрідженого гелію, пов'язаних з підведенням тепла по трубках та розтяжках від корпусу при температурі 300 К до гелієвої ємності з температурою 4,2 К.The disadvantage of this cryomagnetic system is: - complication of the design of the cryostat to ensure the rigidity of the suspension of the helium container with a superconducting solenoid due to the use of an additional system of vertical tubes and stretchers, which are placed in the vacuum volume of the cryostat. In addition, to ensure the reliability of a high vacuum in the cryostat, it is necessary to perform special assemblies for sealing tubes and extensions in the cryostat body; - a decrease in the reliability of the cryomagnetic system due to the complication of the cryostat design when using the above-mentioned suspension system of the helium container with a solenoid; - a decrease in efficiency during the operation of the cryomagnetic system due to the additional costs of liquefied helium associated with the supply of heat through tubes and extensions from the body at a temperature of 300 K to a helium tank with a temperature of 4.2 K.

В основу винаходу поставлена задача удосконалення кріомагнітної системи шляхом зміни конструкції окремих її вузлів, що дозволить спростити кріомагнітну систему в цілому, підвищити її надійність та економічність в експлуатації при дії силових навантажень зі сторони зовнішнього магнітного оточення.The basis of the invention is the task of improving the cryomagnetic system by changing the design of its individual nodes, which will simplify the cryomagnetic system as a whole, increase its reliability and economy in operation under the action of force loads from the external magnetic environment.

Поставлена задача вирішується за рахунок того, що у системи що є кріомагнітна, яка бо включає кріостат, який містить корпус, азотну і гелієву ємності, радіаційний екран,The task is solved due to the fact that the system has a cryomagnetic system, which includes a cryostat containing a housing, nitrogen and helium tanks, a radiation shield,

надпровідниковий соленоїд, в нижній частині корпусу кріостату виконано наскрізний горизонтальний циліндричний канал із установленою в ньому трубою, торці якої жорстко закріплені на корпусі кріостату, гелієва ємність виконана у вигляді циліндра з наскрізним боковим циліндричним каналом й встановленою в ньому трубою з соленоїдом, причому труби гелієвої ємності й горизонтального каналу корпусу є коаксіальні, а осі гелієвої ємності, соленоїда й горизонтального каналу корпусу кріостату співпадають, новим є те, що зовні труби горизонтального отвору корпусу кріостату симетрично відносно центра соленоїда встановлено й жорстко закріплено три циліндричні вставки у вигляді тонкостінних порожнистих циліндрів, одну із вставок розміщено у центрі соленоїда, розміри якої визначаються з виразу: г- АКsuperconducting solenoid, in the lower part of the cryostat housing, a through horizontal cylindrical channel is made with a tube installed in it, the ends of which are rigidly fixed on the cryostat body, the helium container is made in the form of a cylinder with a through side cylindrical channel and a pipe with a solenoid installed in it, and the tubes of the helium container and the horizontal channel of the housing are coaxial, and the axes of the helium container, the solenoid, and the horizontal channel of the cryostat housing coincide, the new thing is that three cylindrical inserts in the form of thin-walled hollow cylinders are installed and rigidly fixed outside the pipe of the horizontal opening of the cryostat housing symmetrically with respect to the center of the solenoid inserts are placed in the center of the solenoid, the dimensions of which are determined from the expression: r- AK

М вкаан(ю? 7). де Ї - довжина вставки, Л/ - намагніченість матеріалу вставки, й - сила магнітної взаємодії вставки й соленоїда, вгаан . градієнт магнітного поля соленоїда в області розміщення вставки, / й К- внутрішній та зовнішній радіуси вставки, а дві інші вставки однакових розмірів встановлено симетрично відносно центра соленоїду зі сторони його торців за радіаційним екраном кріостату, при цьому діаметр внутрішнього отвору цих вставок становить не менше діаметра внутрішнього отвору соленоїда. Всі вставки виготовлено із феромагнітного матеріалу з високим значенням індукції насичення.M vkaan(yu? 7). where Y is the length of the insert, L/ is the magnetization of the insert material, and is the strength of the magnetic interaction between the insert and the solenoid, vgaan. the gradient of the magnetic field of the solenoid in the area of the insert, / and K are the inner and outer radii of the insert, and two other inserts of the same size are installed symmetrically with respect to the center of the solenoid from the side of its ends behind the radiation screen of the cryostat, while the diameter of the inner hole of these inserts is not less than the diameter the inner opening of the solenoid. All inserts are made of ferromagnetic material with a high value of saturation induction.

Розміщення зовні на трубі горизонтального каналу кріостату трьох симетрично встановлених відносно центра соленоїда вставок у вигляді тонкостінних циліндрів спрощує конструкцію гелієвого кріостату при дії механічних зусиль магнітного походження за рахунок відсутності додаткової системи трубок та розтяжок у вакуумній ємності кріостату від його корпусу до гелієвої ємності.Placement of three thin-walled cylinder inserts placed symmetrically relative to the center of the solenoid on the outside of the tube of the horizontal channel of the cryostat simplifies the design of the helium cryostat under the action of mechanical forces of magnetic origin due to the absence of an additional system of tubes and stretchers in the vacuum container of the cryostat from its body to the helium container.

Розміщення феромагнітної вставки зовні на трубі "теплого" горизонтального каналу кріостату, коли її центр співпадає з центром надпровідникового соленоїда, забезпечує велику за абсолютною величиною силу їх магнітної взаємодії у напрямку вісі соленоїда й, відповідно, жорсткість підвісу гелієвої ємності з соленоїдом у кріостаті за рахунок того, що при дії на соленоїд зовнішнього магнітного оточення механічні зусилля магнітного походження, які виникають між магнітним оточенням та соленоїдом, будуть передаватися на металевий корпус кріостату за допомогою намагніченої в полі соленоїда вставки й труби "теплого" каналу. ПриPlacing the ferromagnetic insert externally on the tube of the "warm" horizontal channel of the cryostat, when its center coincides with the center of the superconducting solenoid, provides a large absolute magnitude of the strength of their magnetic interaction in the direction of the solenoid axis and, accordingly, the rigidity of the suspension of the helium container with the solenoid in the cryostat due to the fact that , that when an external magnetic environment acts on the solenoid, the mechanical forces of magnetic origin that arise between the magnetic environment and the solenoid will be transmitted to the metal body of the cryostat by means of an insert magnetized in the field of the solenoid and a pipe of a "warm" channel. At

Зо заданих внутрішнім та зовнішнім радіусах вставки її довжина визначається виразом: г- АКFrom the given inner and outer radii of the insert, its length is determined by the expression: r- AK

М. стаан(к? -ї7 ) де .Ш - довжина вставки, Л/ - намагніченість матеріалу вставки, Я - сила магнітної взаємодії вставки й соленоїда, вгаан . градієнт магнітного поля соленоїда в області розміщення вставки, / й К- внутрішній та зовнішній радіуси вставки.M. staan(k? -i7 ) where .Ш is the length of the insert, L/ - the magnetization of the material of the insert, Я - the strength of the magnetic interaction of the insert and the solenoid, vgaan . the gradient of the magnetic field of the solenoid in the area of the insert, / and K - the inner and outer radii of the insert.

Розміщення двох однакових вставок на трубі "теплого" горизонтального каналу збоку торців і симетрично відносно центра соленоїда, діаметр внутрішнього отвору яких вибрано не менше діаметру отвору соленоїда й в області магнітного поля, в якій мають місце великі градієнти поля в осьовому та радіальному напрямках соленоїда, забезпечує великі сили магнітної взаємодії вставок із соленоїдом у цих напрямках, а також стійкість останніх у радіальному напрямках.Placing two identical inserts on the tube of the "warm" horizontal channel on the side of the ends and symmetrically relative to the center of the solenoid, the diameter of the inner hole of which is chosen not less than the diameter of the solenoid hole and in the magnetic field region, in which there are large field gradients in the axial and radial directions of the solenoid, provides large forces of magnetic interaction of the inserts with the solenoid in these directions, as well as the stability of the latter in the radial directions.

Виконання циліндричних вставок з феромагнітного матеріалу з високим значенням індукції насичення забезпечує максимальну силу магнітної взаємодії вставок із соленоїдом й, відповідно, компенсацію значних механічних зусиль магнітного походження при дії зовнішнього магнітного оточення.The execution of cylindrical inserts from ferromagnetic material with a high value of saturation induction provides the maximum force of magnetic interaction of the inserts with the solenoid and, accordingly, compensation of significant mechanical forces of magnetic origin under the action of the external magnetic environment.

Надійність кріомагнітної системи забезпечується за рахунок спрощення системи підвісу гелієвої ємності із соленоїдом у кріостаті, а підвищення економічності - шляхом зменшення витрат зрідженого гелію за рахунок відсутності у кріостаті системи трубок та розтяжок та відсутності підводу тепла до гелієвої ємності з температурою 4,2 К від корпусу кріостата з температурою 300 КThe reliability of the cryomagnetic system is ensured by simplifying the suspension system of the helium container with a solenoid in the cryostat, and increasing the economy - by reducing the consumption of liquefied helium due to the absence of a system of tubes and stretchers in the cryostat and the absence of heat supply to the helium container with a temperature of 4.2 K from the cryostat body with a temperature of 300 K

Загальний вигляд кріомагнітної системи у розрізі показано на фіг. 1.The general view of the cryomagnetic system in section is shown in fig. 1.

На фіг. 2 показано розміщення центральної вставки в отворі соленоїда та розподіл магнітного поля соленоїда в осьовому та радіальному напрямках.In fig. 2 shows the placement of the central insert in the solenoid bore and the distribution of the solenoid's magnetic field in the axial and radial directions.

На фіг. З наведені розміри центральної вставки.In fig. C shows the dimensions of the central insert.

На фіг. 4 представлено розподіл радіальної складової магнітного поля Н, соленоїда у радіальному напрямку.In fig. 4 shows the distribution of the radial component of the magnetic field H of the solenoid in the radial direction.

Кріомагнітна система, фіг. 1, містить гелієвий кріостат у складі виготовлених з немагнітного матеріалу металевого корпусу 1, радіаційного екрану 2, гелієвої ємності 3, азотної ємності 4, горловин гелієвої б й азотної ємностей 7, верхнього несучого фланця 8, а також включає надпро-відниковий соленоїд 5, розміщений у гелієвій ємності З кріостату. У нижній частині кріостату співвісно отвору соленоїда 5 виконано "теплий" горизонтальний наскрізний канал 9, у якому розміщено трубу 10, на якій, в свою чергу, встановлено три феромагнітні вставки у вигляді тонкостінних порожнистих циліндрів - вставка 11 та дві однакові вставки 12.Cryomagnetic system, fig. 1, contains a helium cryostat made of a non-magnetic metal body 1, a radiation shield 2, a helium container 3, a nitrogen container 4, the necks of the helium b and nitrogen containers 7, the upper supporting flange 8, and also includes a superconducting solenoid 5, placed in a helium container From a cryostat. In the lower part of the cryostat, coaxially with the opening of the solenoid 5, a "warm" horizontal through channel 9 is made, in which the pipe 10 is placed, on which, in turn, three ferromagnetic inserts in the form of thin-walled hollow cylinders are installed - insert 11 and two identical inserts 12.

Геометричний центр вставки 11 співпадає з геометричним центром надпровідникового соленоїда 5, а дві вставки 12 встановлено зовні збоку торців соленоїда 5 й симетрично відносно його центра за радіаційним екраном 2, при цьому діаметр внутрішнього отвору вставок 12 вибрано не менше діаметру внутрішнього отвору соленоїда 5. Вставки 11 і 12 виготовлено із феромагнітного матеріалу з високим значенням індукції насичення. Торці труби 170 горизонтального отвору 9 жорстко закріплено на корпусі 1 кріостату.The geometric center of the insert 11 coincides with the geometric center of the superconducting solenoid 5, and the two inserts 12 are installed outside on the side of the ends of the solenoid 5 and symmetrically relative to its center behind the radiation screen 2, while the diameter of the inner hole of the inserts 12 is selected not less than the diameter of the inner hole of the solenoid 5. Inserts 11 and 12 is made of a ferromagnetic material with a high saturation induction value. The ends of the pipe 170 of the horizontal hole 9 are rigidly fixed to the body 1 of the cryostat.

У сильному магнітному полі над провідникового соленоїда вставки намагнічуються й між ними та соленоїдом виникає сила магнітної взаємодії, яка направлена у бік максимального магнітного поля, тобто в центр соленоїда. Сила магнітної взаємодії намагніченої вставки з соленоїдом у магнітному поле напруженістю Я визначається виразом:In a strong magnetic field above the conducting solenoid, the inserts are magnetized, and between them and the solenoid there is a force of magnetic interaction, which is directed towards the maximum magnetic field, that is, to the center of the solenoid. The strength of the magnetic interaction of the magnetized insert with the solenoid in the magnetic field by the intensity I is determined by the expression:

МM

Е------ 4 - 4л: вгтаан. У (1) де: ЕК . сила магнітної взаємодії, М (о. намагніченість матеріалу вставки, втааН. градієнт магнітного поля у місці розташування вставки, М - об'єм вставки.E------ 4 - 4l: vgtaan. In (1) where: EC . strength of magnetic interaction, M (o. magnetization of the material of the insert, vtaaN. gradient of the magnetic field at the location of the insert, M is the volume of the insert.

Розміщення центральної вставки 11 в отворі соленоїда 5, а також розподіл складових магнітного поля останнього в осьовому Н; й радіальному Те напрямках наведено на фіг. 2. а геометричні розміри вставки - на фіг. 3. Ця вставка, центр якої співпадає з центром соленоїда, буде відчувати з боку останнього дію двох сил: одну, більшу за величиною силу І; яка направлена у напрямку осі до центра соленоїда та яка визначається величиною градієнта магнітного поля вгааН у осьовому напрямку; та іншу, меншу за величиною, силу Тк, яка направлена у радіальному напрямку соленоїда, яка визначається градієнтом поля вгайН у цьому напрямку. У зв'язку з тим, що градієнт магнітного поля у осьовому напрямку більший, ніж градієнт поля у радіальному напрямку, то й сили магнітної взаємодії ту «Ех .Placement of the central insert 11 in the opening of the solenoid 5, as well as the distribution of the components of the magnetic field of the latter in the axial H; and radial Te directions are shown in fig. 2. and the geometric dimensions of the insert - in fig. 3. This insert, the center of which coincides with the center of the solenoid, will experience the action of two forces from the latter: one, the larger force I; which is directed in the direction of the axis to the center of the solenoid and which is determined by the value of the gradient of the magnetic field vgaaN in the axial direction; and another, smaller in magnitude, force Tk, which is directed in the radial direction of the solenoid, which is determined by the gradient of the field вгайН in this direction. Due to the fact that the gradient of the magnetic field in the axial direction is greater than the gradient of the field in the radial direction, the force of the magnetic interaction is "Ex.

Зо У соленоїда максимальне значення магнітного поля має місце не у його геометричному центрі, а на внутрішніх шарах обмотки й у більшості з них (з відносною їх довжиною вВ-Шор» 25. де пір відповідно довжина й внутрішній діаметр соленоїда) перевищення поля на обмотці в порівнянні з з полем у центрі становить (1-2)95. Тому градієнт магнітного поля у радіальному напрямку не великий і направлений в бік обмотки соленоїда.In a solenoid, the maximum value of the magnetic field is not in its geometric center, but in the inner layers of the winding, and in most of them (with their relative length in V-Shor" 25. compared with the field in the center is (1-2)95. Therefore, the gradient of the magnetic field in the radial direction is not large and is directed towards the solenoid winding.

В осьовому напрямку магнітне поле соленоїда по відношенню до центрального зменшується більш вагомо, близько 5-10 95 на тій же довжині, що і в радіальному напрямку, тому градієнт магнітного поля в осьовому напрямку суттєво більший, ніж градієнт поля у радіальному напрямку. Відповідно й сила магнітної взаємодії вставки з соленоїдом І; у осьовому напрямку більш, ніж сила взаємодії у радіальному напрямку.In the axial direction, the magnetic field of the solenoid in relation to the central one decreases more significantly, about 5-10 95 at the same length as in the radial direction, therefore the magnetic field gradient in the axial direction is significantly greater than the field gradient in the radial direction. Accordingly, the strength of the magnetic interaction of the insert with solenoid I; in the axial direction is greater than the interaction force in the radial direction.

Якщо вісь соленоїда й вісь вставки співпадають, то на останню по круговій поверхні будуть діяти однакові сили у радіальному напрямку, тому результуюча цих сил буде дорівнювати нулю, а вставка буде мати стійке положення у радіальному напрямку. Якщо ж вісь соленоїда й вісь вставки не співпадають й, наприклад, зміщені у радіальному напрямку, то результуюча сила не буде дорівнювати нулю й вона буде намагатися змістити вставку в бік обмотки соленоїда, тому вставка у радіальному напрямку не буде мати стійкого положення.If the axis of the solenoid and the axis of the insert coincide, then the same forces will act on the latter along the circular surface in the radial direction, so the resultant of these forces will be zero, and the insert will have a stable position in the radial direction. If the axis of the solenoid and the axis of the insert do not coincide and, for example, are displaced in the radial direction, then the resulting force will not be zero and will try to move the insert towards the winding of the solenoid, so the insert will not have a stable position in the radial direction.

З метою усунення нестійкості центральної вставки у радіальному напрямку, а також збільшення сили її магнітної взаємодії з соленоїдом у напрямку вісі останнього додатково до центральної вставки використовують дві однакові вставки, які встановлено симетрично відносно центра збоку торців соленоїда. Останні розміщують в області магнітного поля, у якій градієнт поля у осьовому напрямку соленоїда й, відповідно, сила магнітної взаємодії вставок з соленоїдом І; ; буде направлена до центра соленоїда. Крім того, у цій області магнітного поляIn order to eliminate the instability of the central insert in the radial direction, as well as to increase the strength of its magnetic interaction with the solenoid in the direction of the latter's axis, in addition to the central insert, two identical inserts are used, which are installed symmetrically relative to the center on the side of the ends of the solenoid. The latter are placed in the magnetic field region, in which the field gradient is in the axial direction of the solenoid and, accordingly, the strength of the magnetic interaction of the inserts with the solenoid I; ; will be directed to the center of the solenoid. In addition, in this region of the magnetic field

. Н,. . . . . радіальна складова поля й, відповідно, градієнт поля у радіальному напрямку, зростає зі зменшенням відстані до вісі соленоїда. На фіг. 4 показано розподіл радіальної складової магнітного поля Нь у радіальному напрямку соленоїда, який характеризується спочатку зростанням Ну зі збільшенням радіусу до деякого радіуса Кк, а потім Ну зменшення. В області магнітного поля, у якій Ну зменшення, й встановлено вставки 12. На кожну із цих вставок буде діяти радіальна сила Тк, яка направлена у радіальному напрямку у бік вісі соленоїда, що забезпечує їх стійке положення у радіальному напрямку.. N,. . . . . the radial field component and, accordingly, the field gradient in the radial direction, increases with decreasing distance to the solenoid axis. In fig. 4 shows the distribution of the radial component of the magnetic field Hn in the radial direction of the solenoid, which is characterized by an increase in Nh with increasing radius to a certain radius Kk, and then a decrease in Nh. Inserts 12 are installed in the region of the magnetic field in which Nu decreases. Each of these inserts will be acted upon by a radial force Tk directed in the radial direction toward the solenoid axis, which ensures their stable position in the radial direction.

Таким чином, загальна сила магнітної взаємодії соленоїда з центральною та двома крайніми вставками І; у напрямку його вісі збільшиться, тому що сили взаємодії центральної та двох крайніх вставок з соленоїдом направлені в один бік - до центра соленоїда й вони складуються.Thus, the total strength of the magnetic interaction of the solenoid with the central and two extreme inserts I; in the direction of its axis will increase, because the forces of interaction of the central and two extreme inserts with the solenoid are directed in one direction - to the center of the solenoid, and they add up.

Сила магнітної взаємодії соленоїда з центральною вставкою Тх у радіальному напрямку направлена на зустріч такій же силі взаємодії соленоїда з двома крайніми вставками, тому ці сили віднімаються одна від іншої. Проте, у зв'язку з тим, що градієнт магнітного поля у радіальному напрямку в області магнітного поля, в якій розміщено центральну вставку, суттєво менший такого ж градієнта поля в області розміщення двох крайніх вставок, то сумарна сила взаємодії у радіальному напрямку буде направлена до вісі соленоїда, що забезпечить стійке положення вставок у радіальному напрямку.The force of magnetic interaction of the solenoid with the central insert Tx in the radial direction is directed to meet the same force of interaction of the solenoid with the two extreme inserts, so these forces are subtracted from each other. However, due to the fact that the gradient of the magnetic field in the radial direction in the region of the magnetic field in which the central insert is placed is significantly smaller than the same field gradient in the region of placement of the two extreme inserts, the total interaction force in the radial direction will be directed to axis of the solenoid, which will ensure a stable position of the inserts in the radial direction.

Відповідно до запропонованого технічного рішення було розроблено кріомагітну систему у складі гелієвого кріостата з наскрізним горизонтальним каналом діаметром 65 мм та над провідникового соленоїда. Останній має внутрішній діаметр 100 мм, зовнішній 180 мм, довжину 240 мм й створює магнітне поле з індукцією до 7 Т. Градієнт магнітного поля у напрямку вісі соленоїда на довжині 100 мм становить 6 Т/м, у радіальному напрямку близько 1,0 Т/м.According to the proposed technical solution, a cryomagnetic system was developed as part of a helium cryostat with a through horizontal channel with a diameter of 65 mm and above the conductor solenoid. The latter has an inner diameter of 100 mm, an outer diameter of 180 mm, a length of 240 mm and creates a magnetic field with an induction of up to 7 T. The gradient of the magnetic field in the direction of the solenoid axis at a length of 100 mm is 6 T/m, in the radial direction about 1.0 T/ m.

Центральна феромагнітна вставка, яка встановлена на трубі горизонтального каналу й центр якої співпадає з центром соленоїда, має наступні розміри: внутрішній діаметр 70 мм, зовнішній 76,5 мм й довжину 115 мм й виготовлена з магнітної сталі з індукцією насичення 2,1 Т.The central ferromagnetic insert, which is mounted on the tube of the horizontal channel and whose center coincides with the center of the solenoid, has the following dimensions: an inner diameter of 70 mm, an outer diameter of 76.5 mm and a length of 115 mm and is made of magnetic steel with a saturation induction of 2.1 T.

Сила магнітної взаємодії вставки із соленоїдом у напрямку вісі соленоїда становить 110 кг й направлена до центра соленоїда. Сила магнітної взаємодії у радіальному напрямку дорівнює 16 кг, проте вона направлена не до центра, а у бік обмотки соленоїда.The force of magnetic interaction between the insert and the solenoid in the direction of the solenoid axis is 110 kg and is directed to the center of the solenoid. The force of magnetic interaction in the radial direction is equal to 16 kg, but it is directed not to the center, but to the direction of the solenoid winding.

Дві однакові вставки, які встановлено на трубі горизонтального каналу збоку торцівTwo identical inserts that are installed on the pipe of the horizontal channel on the side of the ends

Зо соленоїда за радіаційним екраном кріостата, мають такі розміри: внутрішній діаметр 110 мм, зовнішній 120 мм та довжину 60 мм. Сила магнітної взаємодії кожної вставки у осьовому напрямку соленоїда складає 34 кг; у радіальному 56 кг й направлена до вісі соленоїда.From the solenoid behind the radiation screen of the cryostat, they have the following dimensions: inner diameter 110 mm, outer diameter 120 mm and length 60 mm. The strength of the magnetic interaction of each insert in the axial direction of the solenoid is 34 kg; in the radial 56 kg and directed to the axis of the solenoid.

Таким чином, сумарна сила магнітної взаємодії соленоїда із трьома вставками у напрямку його вісі становить: І; -( 10-34) -144 кг; а у радіальному Тх -(56-16)-40 кг і направлена до вісі соленоїда, що забезпечує стійкість усіх трьох вставок у радіальному напрямку.Thus, the total strength of the magnetic interaction of a solenoid with three inserts in the direction of its axis is: I; -( 10-34) -144 kg; and in the radial Tx -(56-16)-40 kg and directed to the axis of the solenoid, which ensures the stability of all three inserts in the radial direction.

Claims

FORMULA OF THE INVENTION A cryomagnetic system that includes a cryostat containing a housing, nitrogen and helium containers, a radiation shield, a superconducting solenoid, in the lower part of the housing of the cryostat there is a through horizontal cylindrical channel with a pipe installed in it, the ends of which are rigidly fixed on the housing of the cryostat, a helium container made in the form of a cylinder with a through side cylindrical channel and a tube with a solenoid installed in it, and the tubes of the helium container and the horizontal channel of the housing are coaxial, and the axes of the helium container, the solenoid, and the horizontal channel of the cryostat housing coincide, which differs in that the outside of the tube of the horizontal channel body, symmetrically relative to the center of the solenoid, three cylindrical inserts in the form of thin-walled hollow cylinders are installed and rigidly fixed, one of the inserts is located in the center of the solenoid, the dimensions of which are determined from the expression: И -4.Р/М.дгаан.(Ве-12), where И - the length of the insert, M - the magnetization of the insert material и, Е - the strength of the magnetic interaction between the insert and the solenoid, dgaan - the gradient of the magnetic field of the solenoid in the area where the insert is located, г and В - the inner and outer radii of the insert, two other inserts of the same size are installed symmetrically relative to the center of the solenoid on the side of its ends behind the radiation screen of the cryostat, at the same time, the diameter of the inner hole of these inserts is not less