传导冷却的10T超导磁体恒温器设计及二级脉管制冷机研制

摘要

目前，超导技术广泛应用于能源、信息、交通、科学仪器、医疗技术、国防和重大科学工程等领域。据超导产业峰会的预计，到2020年超导产业的市场份额将达到1500～2000亿美元，因此超导技术产业的发展具有非常广阔的市场空间。
　　相比于液氦冷却的超导磁体系统，制冷机直接冷却的超导磁体具有结构简单、操作方便、运行成本低等优点，再加上近年来世界范围内液氦资源的紧缺与匮乏，进一步促进了制冷机直接冷却超导磁体系统的发展。随着脉管制冷机性能的不断提高，其制冷性能已经可以与G-M制冷机相媲美：同时由于脉管制冷机在冷端无运动部件，因此具有很多突出的优点：结构简单、重量轻、机械振动低、噪音小；电磁干扰低，受磁场影响小、可靠性高、使用寿命长等。因此脉管制冷机被越来越多的用到超导磁体冷却系统中。
　　本文回顾了制冷机直接冷却的超导磁体发展历史和最新研究进展，分析了制冷机类型、回热材料、布置形式对制冷机直接冷却超导磁体性能的影响，设计了一台用于冷却10T超导磁体的恒温器并研制了与之相配的液氦温区二级脉管制冷机。主要工作如下：
　　1、完成了制冷机直接冷却的10T超导磁体恒温器系统的设计，重点设计了磁体的强化传热结构，介绍了二元电流引线的优化设计过程、位置布置以及超导磁体的失超保护措施，最后详细计算了制冷机两个冷头所需的热负荷。
　　2、研制了与之相配的二级液氦温区脉管制冷机单元，并对其进行了实验调试，该制冷机在4.04K可提供0.6W制冷量，同时在43.6K可提供20W制冷量，可满足恒温器的热负荷设计需求。