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磁体热稳定性分析:原理与方法探析

时间:2023-06-23 理论教育 版权反馈
【摘要】:给定待设计的超导磁体工作在30K下,杜瓦中冷屏的温度为80K,制冷机冷头分别在这两个温度下的制冷量可计算得到。根据这些数据,可以分别计算出磁体的发热和漏热总量,并将其与制冷机的制冷量相比,从而判断这个工作状态是否能够维持稳定。超导磁体中的发热热源主要是磁体中有电阻的部分所发出的焦耳热。

磁体热稳定性分析:原理与方法探析

给定待设计的超导磁体工作在30K下,杜瓦中冷屏的温度为80K,制冷机冷头分别在这两个温度下的制冷量可计算得到。根据这些数据,可以分别计算出磁体的发热和漏热总量,并将其与制冷机的制冷量相比,从而判断这个工作状态是否能够维持稳定。

超导磁体中的发热热源主要是磁体中有电阻的部分所发出的焦耳热。已经算得磁体中的总电阻约为5μΩ。当通以100A电流时,磁体一共会产生0.05W的热量。这部分热量将由二级冷头导走。

杜瓦的制冷过程可以分为三个阶段。第一个阶段为冷头将冷屏和磁体从室温分别冷却至80K和30K;第二个阶段为冷屏和磁体温度不变,杜瓦内气压下降;第三个阶段为杜瓦内温度和压强均不变,而开始通电流至100A。一级冷头在80K时可以提供约40W的制冷量,二级冷头在30K时可以提供约17W的制冷量。

对于第一阶段,一般的,温度越低时漏热越大,而制冷机的制冷量越小。因此,只要考虑冷屏和磁体温度分别为80K和30K时的热平衡情况即可,如果在这个条件下制冷机的制冷量已经大于杜瓦的漏热,则在较高温度下这个差只可能更大,因而可以保证降温过程顺利完成。一级冷头在80K时的漏热总计13.8W,二级冷头在30K时的漏热总计3.9W。可见,漏热远小于制冷量。(www.xing528.com)

对于第二阶段,杜瓦内唯一的变化是其内部空气压强在低温泵的作用下,由0.2Pa降低至10-2Pa。此时,由二级冷头富余的制冷量约13W固化空气。气压降至10-2Pa后,一级冷头的漏热减小为4.3W,二级冷头的漏热减小为1.05W。

对于第三阶段,杜瓦内唯一的变化是引入了通电流产生的焦耳热。一级冷头的漏热增加比由一阶段增加为7.3W,二级冷头的漏热增加为1.85W。

综合以上条件可以判断,选用的制冷机完全可以提供足够的制冷量,通过干式制冷将冷屏冷却至80K,将磁体冷却至30K。需要注意的一点是,在气压没有降到10-4Pa之前,漏热最主要来自于空气的对流传热,因此,确保杜瓦内的真空度是保证杜瓦制冷的关键

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