低温保持器组件制造技术

一种低温保持器组件，包括一个液体冷却剂容器（１）；一个机械冷却器（９），其位于容器上方并具有至少一个冷却级；和一个通道（５），其在使用时用于将气体冷却剂从容器输送到冷却级，使冷却剂在冷却级冷凝，然后通过该通道将之返回容器。通道（５）内设置一个声波衰减器（１０），用于衰减从机械冷却器产生的并通过气体冷却剂传播的声音能量的传递，同时允许气体冷却剂流动到冷却级，并使冷凝的冷却剂流回容器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种低温保持器(cryostat)组件，用于例如将超导磁体或类似物冷却到低温。这种组件用于例如核磁共振(NMR)、磁共振成像(MRI)、离子回旋加速共振(ICR)和动态核偏振(DNP)。
技术介绍
在使用这种低温保持器组件的典型实验中，典型地冷却超导磁体，需要探测由检测样品发出的相对微弱的信号。重要的是要消除大量噪音信号以便能够清晰地探测到检测信号。过去曾发生的一个问题是，用作低温保持器组件一个部件的机械冷却器会导致机械振动，其会通过器壁传递到低温保持器组件的其余部分。为了避免这个问题，人们引入了隔离器件例如风箱(bellows)。这种已知系统的实例在US-S-2004/0051530、EP-A-00903588和EP-A-00864878有描述。尽管有这些措施，我们发现，输出频谱仍然显示一些噪音效应。例如，图1示出了从具有脉冲管致冷机的牛津仪器Activelycooled 400低温保持器获得的NMR噪音频谱的一部分。这是由水样品的锁定质子信号(lock-in proton signal)产生的，最终的峰代表在NMR测量中见到的噪音。可以看出，在1-2Hz附近存在显著的噪音效应。
技术实现思路
根据本专利技术，低温保持器组件包括一个液体冷却剂容器；一个机械冷却器，其位于容器上方并具有至少一个冷却级(stage)；一个在使用时用于将气体冷却剂从容器输送到冷却级的通道，其中冷却剂在冷却级冷凝，然后通过该通道返回容器；和一个声波衰减器，其位于通道内，用于衰减从机械冷却器产生的并通过气体冷却剂传播的声能的传递，同时允许气体冷却剂流动到冷却级，并允许冷凝的冷却剂回流到容器。我们认识到，所观察到的噪音效应并不是由于通过低温保持器器壁传播的机械振动，而是由于施加在低温保持器液体水平之上的气体体积的声音振动，而这是由以大约1Hz的频率振动的机械冷却器触发的。为了解决这个问题，我们在用于将气体冷却剂从容器输送到冷却级并将液体冷却剂返回到容器的通道内插入了一个声波衰减器。然而，需要仔细地考虑该衰减器的精确性质，以便不会不当地影响气体和液体冷却剂的流动。实际上，该最佳参数需要经验地确定。典型地，声波衰减器包括一个具有至少一个通道的元件，该通道的直径小于声波在气体中的波长。然而优选地，该衰减器包括许多个这样的通道，且通道的直径应当比声波在冷却剂气体，例如氦气，中的波长小多个数量级，以便使声音以高振幅衰减扩散传播。通道可以呈直线形，并且布置成规则或不规则的阵列，当然也能够想象非直线的通道。我们认识到，除了阻止施加在气体体积上的声音振动的传播之外，声波衰减器还具有另一个重要的功能。这就是，在除去“冷头”(coldhead)期间，它能够阻止冷却剂气体的流动，从而使蒸发的气体通过另一个对蒸发(boil-off)具有最小抵抗的通风路径进行传播。优选地，声波衰减器具有低热传导系数，尽管这并不是必需的。机械冷却器的实例包括一个低温冷却器，例如脉冲管致冷机、Gifford-McMahon致冷机、Stirling冷却器和Joule-Thomson冷却器。如上所述，该组件能够用于冷却位于冷却剂容器内的或者与之热连接的物件，例如超导磁体。附图说明现在将参考附图说明根据本专利技术的低温保持器组件的一个实例，其中图1示出了从先前技术组件获得的NMR频谱的噪音部分； 图2的频谱类似于图1并且是从相同的组件获得的，但它是在根据本专利技术的实例进行修改并插入了一个声波衰减器之后获得的；图3是根据本专利技术的低温保持器组件一个实例的示意图；图4A-4C分别是根据本专利技术的声波衰减器插塞的一个实例的透视图、底视端视图和沿着图4B中A-A线的断面；图5示出了用于讨论本专利技术的理论所需的参数。具体实施例方式图3示意地示出了用于NMR的低温保持器组件的部件，该组件包括一个环形液氦容器1，其围绕轴线2布置并限定了一个钻孔(未显示)。实际上，容器1被围以多个热屏蔽装置，并可能有其它的冷却剂容器，但是简单起见，图中只显示了单一的50K热屏蔽装置3。容器1内有一个环形超导磁体4，并且也围绕轴线2。容器1的上壁具有一个孔径5。该孔径5与腔体6或转塔(turret)7相连，其中腔体6具有一个向外延伸的管子，转塔7内设置了两级脉冲管致冷机(PTR)9的第二级8。典型地，腔体6的壁的一部分形成一个风箱，限制振动的传播。在使用中，到达容器1的热量导致液氦沸腾，氦气通过孔径5传播到腔体6，在那里它冷凝在PTR9的第二级8上，最终的液体回落到容器1内。如上所述，已经发现，PTR9的机械振动不仅使低温保持器组件的器壁振动，还导致声波通过腔体6内的氦气传播回容器1，从而导致从钻孔内的样品获得的NMR信号中出现噪音。为了解决这个问题，用一个声波衰减器插塞10填塞其中一个孔径5。图4更详细地显示了这种插塞10的一个实例。从图4A可以看出，插塞包括一个圆柱形体部分20，在其上端具有一对横向向外延伸的半圆形凸缘22，24。凸缘22、24之间形成一个缝隙23，用于排出液氦。插塞10用低热传导率的材料制成，例如PTFE、不锈钢、G-10、泡沫、塑料、FRP或陶瓷。在本实例中使用G-10，并且插塞具有一个由25个孔26构成的规则阵列，每一个孔的直径为2.5mm，并沿着体20的长度呈直线形延伸。这从图4C中能够最清晰地看出，需要注意，每个通道26的长度为32mm。这些直径应当与声音在低温氦中的波长相比拟，该波长大约为104m。用体20填塞腔体5并使凸缘22、24延伸到部分位于腔体6的基体之上，将插塞10插入到腔体5内。现在说明本专利技术的理论背景。插塞10固定在空间5内，通过该空间5，PTR9第二级上的冷凝器能够看到氦容器1中的液氦。插塞10必须满足两个标准a)使氦气中由PTR第二级产生的声音振动与氦容器隔离，b)使蒸发的(boil off)氦气能够向上通过它，并使冷凝的液氦通过它回落到氦容器内。图5显示了插塞工作的示意图。通路30连接两个区域1和6。区域6能够看作振动源，在本实例中是PTR，通路30是具有小通道的插塞位置，区域1是液氦罐或其内具有液氦的容器。A1是由区域6内的PTR产生的声音振动的振幅，而A2和A3分别是通过插塞、氦罐携载的声音振动的振幅。Z1，Z2，Z3是各个位置的声音阻抗，而A1r和A2r是反射声音振动的振幅。l是插塞10的长度。我们认为，考虑Z3＝Z1。在本实例中，典型地有两个面积变化，即从6到30，和从30到1。这些面积变化使声音振动的振幅降低或衰减。A1是振动在源处的振幅，其大小是最大的。插塞的目的是使最终到达氦罐的A3值最小化。为了实现它，应当通过增加阻抗Z1和Z2使A1r和A2r的数值最大化。由声学基本原理(A1r/A1)＝(1-Z2/Z1)/(1+Z2/Z1)对于1＞＞d(其中l和d分别是插塞通道的长度和直径)A3/A1＝2/sqrt(2+Z1/Z2+Z2/Z1)其近似给出如下等式 A3/A1≈2/sqrt(λ/R)其中λ是振动在给定介质中的波长，R是通道半径＝d/2。因此，对于1＞＞d的情况，通过通道传播的振幅直接依赖于插塞中通道的半径，并且其应当尽可能地小，以便使A3保持为小。如果声音在空气中的速度为104m/s，这意味着频率为1Hz时，λ为104m。如果R为大约本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低温保持器组件，包括：液体冷却剂容器；机械冷却器，其具有至少一个位于容器上方的冷却级；通道，其用于将气体冷却剂从容器输送到冷却级，在此冷却剂在使用时被冷凝，然后通过通道返回到容器；和声波衰减器，其位于通道内，用于衰减从机械冷却器产生的并通过气体冷却剂传播的声音能量的传递，同时允许气体冷却剂流动到冷却级，并允许冷凝的冷却剂流回容器。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：菲利普亚历山德尔卡尔，欧莱格基里切克，米林德迪瓦卡尔阿特雷，
申请(专利权)人：牛津仪器超导有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]