超导磁共振制冷系统工作原理简述

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超导磁共振制冷系统工作原理简述

    超导型磁体的磁场建立是在超导环境中为超导线圈通电流而产生强磁场的。在理想状态下,磁场一旦建立,只要维持超导线圈的超低温环境,强磁场就长期存在。超导材料主要是铌,钛与铜的多丝复合线,它的工作温度为4.2K(-268.8℃)。因此我们必须建立超导环境,将超导材料置于工作温度4.2K下。
    建立超导环境的过程是首先将超导型磁体的真空绝热层抽真空,将内部压力抽至约0.001Pa,然后将磁体预冷,把液氦容器腔内温度降到接近4.2K,最后在磁体液氦容器中灌满液氦,使超导线圈浸泡在液氦中。因此,磁共振的超导线圈用浸泡在低温液氦中的方法以获得其正常工作的超低温环境,虽然磁体采用了真空绝热结构,但由于结构支撑等多种因素,不可能完全阻止热传导,所以液氦会以蒸发的形式带出导入的热量,以维持4.2K的温度。为减少液氦的蒸发,磁共振配备了制冷系统,提供降温减少液氦蒸发。
    磁共振冷却系统是由液氦冷屏、冷头、氦压缩机和水冷机组四部分组成。液氦冷屏是磁体的组成部分之一,设有20K、70K两级冷屏,二者的作用都是直接减少辐射传导。
    冷头是制冷部件,通过两级缸套端面的铟线圈将低温高压氦气传输到磁共振的两级冷屏上,为低温容器中的液氦降温,保持液氦中超导线圈的环境温度,以隔绝结构导热,降低液氦消耗。它又是一个膨胀机,经过氦压缩机压缩的低温高压氦气在这里膨胀带走周围的热量。冷头的材料主要是丝绸胶木,两级缸套分别以铜丸和铅丸为蓄冷填料。

    氦压缩机主要为冷头提供低温高压氦气。氦压缩机中充以高纯度的氦气,并通过软管与冷头相连,工作时,由冷头循环来的热氦气,经过压缩提升压力,在热交换器中与压缩机油交换热量,使温度迅速下降,成为低温高压氦气,经油水分离器滤油,再经吸附器进一步过滤,方送冷头制冷用,此过程即为氦气循环过程。
    水冷机组类似于一个空调系统,经过热交换给氦压机提供冷却水。氦压缩机产生的热量最终由循环水带走。通过水冷机组、压缩机和冷头不停地工作,就可以源源不断地为磁共振提供冷量,以达到减少液氦蒸发的目的。