КРИОГЕННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к устройствам криогенной техники, а именно к низкотемпературным криогенным устройствам и может быть использована для проведения исследований магнитных свойств различных материалов, в том числе для магниторезонансного томографа для травматологической диагностики.
Известна сверхпроводящая магнитная система для магнитных исследований (Патент РФ на полезную модель №38383 «Криостат для сверхпроводящих магнитов», БИ №16, 2004 г. Криостат содержит наружный кожух; сверхпроводящий соленоид, охлаждаемый съемный наружный экран, соединенный с сосудом жидкого азота; сосуд для жидкого гелия, образованный верхним фланцем с приваренной к нему обечайкой. Внутри сосуда размещен сверхпроводящий соленоид, прикрепленный с помощью подвески к верхнему фланцу. Сосуд крепится с помощью трубы и теплоотводящих трубок к верхней крышке криостата.). В известном устройстве токоввод выполнен перфорированным. Удлиненная кромка фланца выполнена в соответствии с соотношением Н=δ+(10-15), где Н - высота кромки, мм; δ - толщина фланца, мм. В известном криостате уровнемер жидкого хладоагента выполнен из сверхпроводящего материала. Токовводы расположены внутри отводящих трубок и соединены коническим хвостовиком с изолированным гнездом. Отводящие трубки соединены трубками с коллектором. Внутри отводящей трубки установлен также уровнемер жидкого хладоагента. В криостате для сверхпроводящих магнитов трубки подвеса гелиевого сосуда охлаждаются обратным потоком хладоагента, при этом поток хладоагента выведен в коллектор. Это снижает теплоприток по трубкам подвеса. Коллектор представляет собой кольцевую трубу, к которой с одной стороны подведены полости всех трубок подвеса. С другой стороны коллектор соединен с газосборной сетью. Коллектор прикреплен к верхнему наружному фланцу криостата. Поток хладоагента поступает по трубкам подвеса в коллектор и далее в газосборную сеть.
Недостатками являются:
1. Такая организация потока хладоагента требует частого подлива жидких гелия и азота в криостат.
2. Отсутствие удобного доступа для пациента к области сильного магнитного ноля.
3. Необходимость делать дополнтельный сосуд для жидкого гелия, что увеличивает сложность конструкции и габаритные размеры.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является магнитная система, описанная в статье (″Development of Conduction-Cooled Superconducting Magnet for Baby Imaging″, Supercond. Sci.Technol. 11 (2009) ISSN 1051-8223 стр.726-731). Сверхпроводящая магнитная система содержит наружный кожух; охлаждаемый радиационный экран; сверхпроводящий соленоид, изолированный от радиационного экрана; криорефрижератор, помещенный в горловину наружного кожуха, теплосъемные соединение, подвесы из стеклотекстолита G10.
Сверхпроводящий магнит поддерживается четырьмя подвесами на верхней части и четырьмя подвесами на нижней части криостата. Магнит охлаждается только криорефрижератором. Первая ступень криорефрижератора соединена с радиоактивным экраном, вторая ступень экрана соединена с соленоидом. Все компоненты имеют тепловой барьер от комнатной температуры до температуры жидкого гелия. Тепловая нагрузка на сверхпроводящий соленоид составляет 26,52 Вт для первой ступени и 0.46729 Вт для второй ступени.
Сверхпроводящие каркасы катушек сделаны из алюминиевого сплава 6061-Т6. Катушки находятся в вакуумной камере.
Недостатками данной конструкции являются:
1. Криорефрижератор стоит в общей вакуумной полости, что осложняет его замену или ремонт при сервисном обслуживании.
2. Сложность сборки/разборки конструкции.
3. Большое количество соединений катушек, которые увеличивают процент отказов системы.
Задачей технического решения является устранение выше названных недостатков, а именно, создание криогенного устройства с повышенной эффективностью, имеющего более совершенную систему замены криорефрижератора, содержащего меньшее количество соединений катушек, что позволяет уменьшить процент отказов системы.
Поставленная задача решается заявляемым криогенным устройством для исследования магнитных свойств материалов, содержащим наружный кожух, охлаждаемый радиационный экран, сверхпроводящий соленоид, изолированный от радиационного экрана, криорефрижератор, помещенный в горловину наружного кожуха, теплосъемные соединение, которое дополнительно содержит усиливающие кольца, расположенные на наружном кожухе, восемь подвесов из металлического сплава для крепления сверхпроводящего соленоида, теплоотводящий элемент, сверхпроводящий ключ, содержащий тепловую развязку, при этом теплоотводящий элемент соединен непосредственно со второй ступенью криорефрижератора и сверхпроводящим соленоидом, криорефрижератор расположен в отдельном вакуумном объеме наружного кожуха, а наружный кожух снабжен разборной горловиной.
Общий вид заявляемого криогенного устройства показан на фиг.1 (общий вид, фронтальный разрез), фиг.2 (общий вид, вид слева), здесь же приведены габаритные размеры. Все обечайки и полости криогенного устройства имеют цилиндрическую форму и расположены коаксиально. Свободный доступ к зоне высокой однородности поля обеспечивает «теплое» отверстие криогенного устройства диаметром 325 мм.
На обечайке наружного корпуса расположены токовводы 17. Токовводы изготовлены с использованием высокотемпературного сверхпроводящего материала.
В горловину кожуха экрана 2, диаметром 135 мм в верхней части и диаметром 95 в нижней части устанавливается криорефрижератор 1. Газовая среда вокруг горловины уплотняется с помощью резинового уплотнителя 14. Криорефрижератор притягивается болтам, одновременно прижимаясь к медным фланцам первой (11) и второй (22) ступени. На верхнем фланце имеются гнезда для вакуумной откачки и выход для слаботочных проводов.
Наружный корпус криогенного устройства включает три основных узла: центральную часть 5 длиной 300 мм и диаметром 742 мм, 2 боковых стакана 6 (левая часть),7 (правая часть) переменного диаметра, наружным диаметром 700 мм с большей части и диаметром 650 мм на меньшей части стакана. «Теплую» трубу 9 длиной 614 мм и внутренним диаметром 325 мм. Центральная часть корпуса имеет «лапы» 10 для монтажа магнитной системы на раме, либо для установки корпуса на фундаменте. Также в корпусе имеются гнезда для крепления рым-болтов 18, что дает возможность перемещать криостат с помощью тали или кран-балки. С обоих торцов центральная часть заканчивается фланцами 15 с резиновыми уплотнениями 16, расположенными снаружи при комнатной температуре. На боковой поверхности имеются стандартные порты 12 с проходным сечением 25 мм для откачки вакуумной полости и установки вакуумной лампы, также имеется гнездо для выхода слаботочных проводов.
Для уменьшения теплопритока к сверхпроводящему соленоиду 19, за счет излучения в вакуумном пространстве криогенного устройства, расположен тепловой экран 4. Экран состоит из внутренней и наружной обечаек цилиндрической формы, выполненных из меди. Обечайки соединены между собой торцевыми медными крышками с помощью пайки. Для снижения коэффициента теплового излучения внешние поверхности экрана покрыты многослойной экранно-вакуумной изоляцией. Тепловой экран фиксируется относительно внешнего корпуса с помощью 6 лент сделанных из нержавеющей стали, которые центрируют и крепят экран относительно сверхпроводящего соленоида и внешнего корпуса.
Охлаждение радиационного экрана осуществляется за счет теплового контакта с первой ступенью криорефрижератора. Узел теплосъема первой ступени показан на фиг. 3. Фланец первой ступени прижимается к медному контактному фланцу 11 при затягивании болтов на верхнем фланце 3 уплотнения горловины. Применение толстого резинового уплотнителя 14 на верхнем фланце позволяет компенсировать возможное небольшое несовпадение в продольных размерах горловины и криорефрижератора.
Медный контактный фланец припаян серебряным припоем к обечайке 8 и мягким припоем к наружной обечайке теплового экрана.
Охлаждение соленоида осуществляется за счет теплового контакта со второй ступенью криорефрижератора. Узел теплосъема второй ступени показан на фиг. 3. Фланец второй ступени прижимается к медному контактному фланцу 20 при затягивании болтов на верхнем фланце 3 одновременно притягиваются две ступени криорефрижератора.
Экранирующие каркасы катушек разделены на две секции и крепятся болтами к соленоиду, одновременно прижимаясь, как друг к другу, так и к тепловому мосту второй ступени, что обеспечивает равномерное распределение теплового контакта между всеми каркасами сверхпроводящего соленоида. В месте соединения каркасов между собой имеются специальные «полочки». На левом каркасе полочка расположена внутри, а на правом снаружи, соединяясь, они центрируют друг друга и не позволяют изменить положение каркасов во время работы.
Таким образом, заявляемое криогенного устройства имеет следующие отличия по сравнению с прототипом:
1. Имеет съемный криорефрижератор, что позволяет заменять, либо проводить профилактические работы в более короткие сроки.
2. Криорефрижератор установлен в отдельном объеме, изолированном от вакуумной рубашки криостата
3. В объеме криорефрижератора создается вакуум.
4. Соленоид подвешен на 8 металлических подвесах, которые являются растяжками, с теплосъемным соединением по середине трубки, что позволяет передавать меньшее количество теплопритоков к сверхпроводящему соленоиду. Также вакуумная горловина является силовым элементом, и дополнительно фиксирует соленоид в необходимом пространстве.
5. Подвес крепится к усиливающим кольцам.
6. Зауженные по краям торцевые крышки.
7. Имеется один теплопровод, который соединяет непосредственно вторую ступень криорефрижератора с сверхпроводящим соленоидом, что упрощает сборку и обеспечивает хороший тепловой контакт.
8. Контакт тепловых ступеней криорефрижератора обеспечивается за счет затягивания болтов на внешнем фланце криорефрижератора
9. Тепловая развязка сверхпроводящего ключа.
10. Меньшее количество намоток на сверхпроводящем соленоиде, а также меньшее количество соединений этих катушек, что повышает надежность, а также упрощает конструкцию.
11. Полностью разборная конструкция позволяет, в случае необходимости, разобрать криогенное устройство и заменить какую либо деталь.
12. Усиливающие кольца-фланцы на кожухе.
Таким образом заявляемое криогенное устройство для исследования магнитных свойств материалов имеет большую эффективность, более совершенную систему замены криорефрижератора, содержащего меньшее количество соединений катушек, что позволяет уменьшить процент отказов системы.