Криостат для сверхпроводниковых магнитов
Спроектирован и изготовлен криостат для трех сверхпроводниковых магнитов с вертикальными теплыми каналами (расположенными в одной гелиевой емкости), работающий с наклоном до 15°. Спроектовано та виготовлено кріостат для трьох надпровідних магнітів з вертикальними теплими каналами (розташованими в од...
Saved in:
| Published in: | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Date: | 2013 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2013
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69678 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Криостат для сверхпроводниковых магнитов / П.Н. Постол, Е.А. Дворников, Д.В. Варюхин // Физика и техника высоких давлений. — 2013. — Т. 23, № 4. — С. 128-134. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-69678 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Постол, П.Н. Дворников, Е.А. Варюхин, Д.В. 2014-10-18T12:59:57Z 2014-10-18T12:59:57Z 2013 Криостат для сверхпроводниковых магнитов / П.Н. Постол, Е.А. Дворников, Д.В. Варюхин // Физика и техника высоких давлений. — 2013. — Т. 23, № 4. — С. 128-134. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 82.80.Ej https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69678 Спроектирован и изготовлен криостат для трех сверхпроводниковых магнитов с вертикальными теплыми каналами (расположенными в одной гелиевой емкости), работающий с наклоном до 15°. Спроектовано та виготовлено кріостат для трьох надпровідних магнітів з вертикальними теплими каналами (розташованими в одному гелієвому резервуарі), працюючий при нахилі до 15°. The paper describes the construction of a nitrogen-helium cryostat used for cryomagnetic separation in the course of mineral processing. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Криостат для сверхпроводниковых магнитов Cryostat for superconducting magnets Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Криостат для сверхпроводниковых магнитов |
| spellingShingle |
Криостат для сверхпроводниковых магнитов Постол, П.Н. Дворников, Е.А. Варюхин, Д.В. |
| title_short |
Криостат для сверхпроводниковых магнитов |
| title_full |
Криостат для сверхпроводниковых магнитов |
| title_fullStr |
Криостат для сверхпроводниковых магнитов |
| title_full_unstemmed |
Криостат для сверхпроводниковых магнитов |
| title_sort |
криостат для сверхпроводниковых магнитов |
| author |
Постол, П.Н. Дворников, Е.А. Варюхин, Д.В. |
| author_facet |
Постол, П.Н. Дворников, Е.А. Варюхин, Д.В. |
| publishDate |
2013 |
| language |
Russian |
| container_title |
Физика и техника высоких давлений |
| publisher |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Cryostat for superconducting magnets |
| description |
Спроектирован и изготовлен криостат для трех сверхпроводниковых магнитов с вертикальными теплыми каналами (расположенными в одной гелиевой емкости), работающий с наклоном до 15°.
Спроектовано та виготовлено кріостат для трьох надпровідних магнітів з вертикальними теплими каналами (розташованими в одному гелієвому резервуарі), працюючий при нахилі до 15°.
The paper describes the construction of a nitrogen-helium cryostat used for cryomagnetic separation in the course of mineral processing.
|
| issn |
0868-5924 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69678 |
| citation_txt |
Криостат для сверхпроводниковых магнитов / П.Н. Постол, Е.А. Дворников, Д.В. Варюхин // Физика и техника высоких давлений. — 2013. — Т. 23, № 4. — С. 128-134. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT postolpn kriostatdlâsverhprovodnikovyhmagnitov AT dvornikovea kriostatdlâsverhprovodnikovyhmagnitov AT varûhindv kriostatdlâsverhprovodnikovyhmagnitov AT postolpn cryostatforsuperconductingmagnets AT dvornikovea cryostatforsuperconductingmagnets AT varûhindv cryostatforsuperconductingmagnets |
| first_indexed |
2025-11-25T05:54:01Z |
| last_indexed |
2025-11-25T05:54:01Z |
| _version_ |
1850508974509522944 |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 4
© П.Н. Постол, Е.А. Дворников, Д.В. Варюхин, 2013
PACS: 82.80.Ej
П.Н. Постол, Е.А. Дворников, Д.В. Варюхин
КРИОСТАТ ДЛЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ МАГНИТОВ
Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины
ул. Р. Люксембург, 72, 83114, г. Донецк, Украина
Статья поступила в редакцию 15 августа 2013 года
Спроектирован и изготовлен криостат для трех сверхпроводниковых магнитов с
вертикальными теплыми каналами (расположенными в одной гелиевой емкости),
работающий с наклоном до 15°.
Ключевые слова: криостат, сверхпроводниковый магнит, гелиевая емкость, азот-
ная емкость, радиационный экран, вертикальный теплый канал
Спроектовано та виготовлено кріостат для трьох надпровідних магнітів з верти-
кальними теплими каналами (розташованими в одному гелієвому резервуарі), пра-
цюючий при нахилі до 15°.
Ключові слова: кріостат, надпровідний магніт, гелієвий резервуар, азотний ре-
зервуар, радіаційний екран, вертикальний теплий канал
В настоящее время существует большое количество разнообразных крио-
статов для проведения экспериментов при низких температурах [1−3]. Все
они изготавливаются из тонкостенных оболочек цилиндрической и сфериче-
ской формы с целью иметь минимальную поверхность при заданном объеме
и обладать повышенными прочностными свойствами при минимальном ве-
се. Криостаты со сверхпроводниковыми магнитами отличаются тем, что для
их надежной работы сверхпроводниковый магнит должен быть постоянно
погружен в жидкий криоагент (гелий). Поэтому основной запас рабочей
жидкости располагают над сверхпроводниковыми магнитами, что обуслов-
ливает габариты гелиевой емкости и криостата по высоте.
Существуют конструкции сверхпроводниковых магнитов, работающих с
пониженным уровнем жидкого гелия относительно их верхнего уровня [4].
В этом случае эффективнее расходуется жидкий гелий, но растут массогаба-
ритные характеристики криомагнитных установок по диаметру из-за уста-
новленных в их обмотку теплоотводов.
Отличительными особенностями конструкции представляемого криостата
являются:
− наличие трех сверхпроводниковых магнитов, расположенных в одной
гелиевой емкости;
Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 4
129
− наличие трех вертикальных теплых каналов;
− возможность работать с наклоном до 15°.
Для реализации поставленных требований были приняты дополнитель-
ные конструкторские решения, отличные от традиционных криостатов.
Наличие трех сверхпроводниковых магнитов, расположенных в одной ге-
лиевой емкости вдоль продольной оси, предопределило ее форму − паралле-
лепипед с двумя овальными короткими гранями. Нетрадиционная внешняя
форма криостата требует дополнительного упрочнения по сравнению с
криостатами цилиндрической или сферической формы. Упрочнение элемен-
тов конструкции криостата обычно осуществляется за счет их утолщения,
что приводит к увеличению веса и перерасходу материала. В предлагаемом
криостате применены конструкторские решения, позволяющие использовать
тонкостенные оболочки, подкрепленные ребрами жесткости из гнутого про-
филя, что уменьшило вес криостата. Наличие трех сверхпроводниковых
магнитов, расположенных в одной гелиевой емкости, потребовало установ-
ки элементов, компенсирующих усилия (до 20 t) магнитного взаимодействия
между ними.
Вертикальные теплые каналы, проходящие вдоль оси магнитного поля в
каждом сверхпроводниковом магните, установлены так, что исполняют роль
компенсаторов атмосферного давления, действующего на верхний и нижний
плоские фланцы криостата (создаваемое усилие до 16 t).
Наклон криостата до 15° по продольной оси приводит к перетеканию
жидкого гелия и азота в наклоненную сторону, что, в свою очередь, вызыва-
ет смещение центра масс азотного и гелиевого резервуаров и возникновение
динамических нагрузок, которые провоцируют повышение испарения жид-
кого гелия. Для того, чтобы сверхпроводниковый магнит, оказывающийся в
верхней части гелиевой емкости, не выходил из жидкого гелия, этот магнит
помещен в собственную локальную емкость, которая позволяет удерживать
гелий от перетекания при наклонах, обеспечивая надежную работу криостата.
Медные радиационные экраны, установленные в криостате, охватывая
гелиевую емкость со сверхпроводниковыми магнитами, образуют парал-
лельные поверхности. В параллельных проводниках магнитным полем наво-
дятся токи Фуко, приводящие к их силовому взаимодействию. В криостатах
с экранами цилиндрической или сферической формы силовое взаимодейст-
вие не опасно, так как они обладают повышенной прочностью по сравнению
с экранами плоской формы. В нашем случае радиационные экраны с двух
сторон выполнены в виде плоских граней прямоугольного параллелепипеда,
и их силовое взаимодействие может привести к нежелательным тепловым
контактам. Поэтому конструктивно все радиационные экраны выполнены
так, чтобы избежать появления токов Фуко, приводящих к нежелательным
тепловым контактам, которые увеличивают расход криогенных жидкостей.
Решение этих вопросов позволило создать азотно-гелиевый криостат для
сверхпроводниковых магнитов (рисунок).
Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 4
130
а
б в
Рис. Азотно-гелиевый криостат для сверхпроводниковых магнитов: а − внешний
вид криостата в процессе заливки жидким гелием; б − конструкция криостата в
продольном сечении; в − вид сверху: 1 − гелиевая емкость, 2 − сверхпроводнико-
вый магнит, 3 − азотная емкость, 4 − радиационные экраны, 5 − вакуумный кожух,
6 − горловина гелиевая, 7 − коллектор, 8 − преобразователь манометрический, 9 −
вентиль вакуумный, 10 − азотная горловина, 11 − верхний фланец криостата, 12 −
крышка, 13 − перегородка, 14 − проушина, 15 − стеклопластиковые опоры, 16 −
вертикальные теплые каналы, 17 − устройство компенсации, 18 − локальная ем-
кость, 19 − выходное отверстие
Криостат представляет собой цельнометаллическую сварную конструк-
цию, состоящую из гелиевой емкости 1 со сверхпроводниковыми магнита-
ми 2 и азотной емкости 3, которые охвачены радиационными экранами 4.
Вся конструкция помещена в вакуумный кожух 5. Выходящие из гелиевой
емкости четыре горловины 6 объединены коллектором 7. Криостат снаб-
жен преобразователем манометрическим термопарным 8 (ПМТ-2 или
Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 4
131
ПМТ-4М) и вентилем вакуумным 9, а также комплектуется съемными то-
ковводами и гелиевыми сифонами для заливки жидкого гелия (не показа-
ны). Азотная емкость подвешена на четырех азотных горловинах 10 к
верхнему фланцу криостата 11. Выходные отверстия азотных горловин
снабжены крышками 12, предназначенными для предотвращения попада-
ния конденсата и сторонних предметов в азотную емкость во время работы
и при хранении криостата. Внутри азотной емкости герметично установле-
ны перегородки 13, которые удерживают жидкий азот от перетекания в од-
ну сторону при наклонах криостата, что позволяет поддерживать постоян-
ную температуру жидкого азота по дну (следовательно по азотному экра-
ну) и устраняет возникновение динамических колебаний в криостате. Та-
ким образом, установка перегородок в азотной емкости приводит к эконо-
мии криоагентов. Наклон криостата на требуемый угол α (рисунок) осуще-
ствляется путем подъема-опускания его за две проушины 14 из четырех,
расположенных на верхнем фланце.
Стеклопластиковые опоры 15 попарно установлены и противоположно
направлены у основания каждой горловины азотной и гелиевой емкостей.
Такая конструкция крепления емкостей в криостате позволяет ему работать
в горизонтальном и наклонном положениях верхнего фланца. При этом в
горизонтальном положении весовую нагрузку несут горловины, а при на-
клонах − стеклопластиковые опоры. Схема распределения усилий в этой
конструкции выполнена так, что конечным звеном приложения усилий от
веса заполненных емкостей является верхний фланец криостата независимо
от его ориентации в пространстве, кожух вакуумный при этом не нагружен
(он нагружен только атмосферным давлением). В днище кожуха вакуумного
вдоль оси сверхпроводниковых соленоидов вварены три патрубка − верти-
кальные теплые каналы 16, которые, опираясь на верхний фланец криостата,
исполняют роль компенсатора атмосферного давления на фланцы. В гелие-
вой емкости три сверхпроводниковых магнита в запитанном состоянии соз-
дают магнитные поля, приводящие к силовому воздействию между ними и
элементами конструкции криостата. Для устранения силового воздействия
сверхпроводниковых магнитов на элементы конструкции гелиевой емкости
в ней расположено устройство компенсации 17. Оно представляет собой
плиту с отверстиями, в которых закреплены сверхпроводниковые магниты
так, что силовая нагрузка действует только на плиту, не нагружая элементы
конструкции гелиевой емкости. Верхний сверхпроводниковый магнит, на-
ходящийся в наклоненном рабочем положении криостата, помещен в ло-
кальную емкость 18 с выходным отверстием 19 в газовую подушку гелиевой
емкости. Выходное отверстие локального резервуара расположено в самой
высокой части гелиевого резервуара, вследствие чего при наклоненном по-
ложении криостата уровень жидкого гелия в локальном резервуаре сохраня-
ется самым высоким. Это предотвращает перетекание гелия и обеспечивает
надежную работу сверхпроводникового магнита.
Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 4
132
В криостате все медные радиационные экраны изготовлены с разрезами и
скреплены в местах разреза изоляционным материалом, что исключает по-
явление токов Фуко. Такое конструктивное решение позволило избежать
нежелательных тепловых контактов, а следовательно, и дополнительного
расхода криогенных жидкостей.
Стыковочные узлы криостата с коллектором и коллектора с газгольдером
выполнены как быстросъемные вакуумные соединения. Для входных отвер-
стий в гелиевые горловины ∅ 40 mm и выходного отверстия коллектора в
газгольдер используются фланцы DN50 KF (∅ 75 mm, 3 шт.), а для входного
отверстия в гелиевую горловину ∅ 26 mm − фланец DN40 KF (∅ 55 mm).
Стыковка вентиля вакуумного с откачной системой осуществляется посред-
ством фланца DN25 KF (∅ 40 mm).
Работа криостата осуществляется следующим образом. Откачивают вакуум-
ную полость криостата до остаточного давления не хуже 1·10−4 mm Hg. Зали-
вают жидкий азот в азотную емкость через диагонально расположенные горло-
вины (при этом все четыре крышки сняты). После заполнения азотной емкости
через 15–20 min крышки устанавливают на прежнее место и далее осуществ-
ляют работу только с установленными крышками. Жидкий гелий заливают в
гелиевую емкость через заливочную горловину. Предварительное охлаждение
гелиевой емкости со сверхпроводниковыми соленоидами осуществляют жид-
ким азотом с последующим его удалением. Удалять жидкий азот необходимо,
вводя трубку ∅ 10 mm или сифон гелиевый до дна гелиевой емкости через уп-
лотнительное устройство заливочной горловины, при этом остальные отвер-
стия заглушены. После заливки жидкого гелия в гелиевую емкость в две ее
горловины устанавливают токовводы, соединяющие источник питания со
сверхпроводниковыми магнитами, и осуществляют их запитку. После запитки
сверхпроводниковых магнитов токовводы извлекают и при необходимости до-
ливают жидкий гелий в гелиевую емкость. Криостат готов к работе. Установку
требуемого угла наклона криостата до 15° производят путем подъема двух про-
ушин верхнего фланца криостата со стороны локальной емкости.
Созданный криостат отличается от существующих традиционных крио-
статов тем, что в нем установлены:
− три сверхпроводниковых магнита, расположенных в одной гелиевой
емкости, которые позволяют заменить работу трех криостатов, что умень-
шает габариты и массу всей установки в целом;
− устройство компенсации, позволяющее расположить три сверхпровод-
никовых магнита на минимальном расстоянии друг от друга, компенсируя
силовую нагрузку, действующую на элементы конструкции гелиевой емко-
сти, что позволяет повысить надежность работы криостата;
− силовые узлы, состоящие из стеклопластиковых опор, попарно уста-
новленных и противоположно направленных у основания каждой горловины
азотной и гелиевой емкостей, что позволяет работать криостату в горизон-
тальном и наклоненном положениях, не нагружая кожух вакуумный;
Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 4
133
− локальная емкость с выходным отверстием в газовую подушку гелиевой
емкости, что дает возможность надежной работы сверхпроводниковых маг-
нитов в наклоненном положении криостата;
− перегородки в азотной емкости, удерживающие жидкий азот от перете-
кания в одну сторону при наклонах криостата, что позволяет уменьшить
расход криогенных жидкостей;
− тонкостенные оболочки на кожухе вакуумном, подкрепленные ребрами
жесткости из гнутого профиля, что уменьшает вес криостата.
Все эти конструкторские решения в комплексе дали возможность:
1) уменьшить габариты и массу криомагнитной установки в целом;
2) уменьшить затраты на приобретение материалов и изготовление крио-
магнитной установки в целом;
3) повысить надежность работы криостата;
4) экономить криогенные жидкости в процессе эксплуатации криостата.
На криостат разработан полный комплект конструкторской документа-
ции, по которой он изготовлен на опытном производстве Донецкого физико-
технического института.
Технические характеристики криостата
Объем гелиевой емкости 70 l
Рабочий объем гелиевой емкости 45 l
Объем азотной емкости 70 l
Время хранения жидкого гелия в режиме «замороженного»
магнитного поля 7 d
Время хранения жидкого азота 4 d
Внутренний диаметр вертикального теплого канала 172 mm
Количество вертикальных теплых каналов 3
Длина криостата 1540 mm
Ширина криостата 640 mm
Высота криостата между фланцами 750 mm
Полная высота в собранном виде 1380 mm
Вес криостата с тремя сверхпроводниковыми магнитами 800 kg
1. П.Н. Постол, Л.В. Бережная, А.И. Скрыпарь, В.Ф. Ховяков, С.А. Терехов, Г.Г. Лев-
ченко, ФТВД 18, № 2, 143 (2008).
2. П.Н. Постол, Л.В. Бережная, С.А. Терехов, Г.Г. Левченко, ФТВД 20, № 1, 133
(2010).
3. П.Н. Постол, Л.В. Бережная, В.Ф. Русаков, Г.Г. Левченко, ФТВД 21, № 4, 160
(2011).
4. В.К. Литвинов, П.Н. Постол, С.И. Папаянин, О.В. Дорошева, Приборы и техни-
ка эксперимента № 3, 247 (1987).
Физика и техника высоких давлений 2013, том 23, № 4
134
P.N. Postol, E.A. Dvornikov, D.V. Varyukhin
CRYOSTAT FOR SUPERCONDUCTING MAGNETS
The paper describes the construction of a nitrogen-helium cryostat used for cryomag-
netic separation in the course of mineral processing.
The construction of the cryostat is as follows: three superconducting magnets with
warm vertical channels are placed in a helium vessel at the minimum distance, with a de-
vice that compensates interaction of their magnetic fields. Helium and nitrogen vessels
have fiberglass supports near the upper flanges at the necks. The supports provide the
work of the inclined cryostat: when the cryostat is horizontal, the necks are loaded; when
the cryostat is inclined, the fiberglass supports work. To minimize the expenditure of liq-
uid nitrogen and helium at the inclination of the cryostat, additional elements are mounted
within the vessels: a local vessel is placed within the helium vessel and leak-proof walls
are placed within the nitrogen vessel. These construction elements prevent the total leak
of nitrogen and helium from the inclined cryostat, so the results are:
− reduction of the loss of liquid cryoagents in the down-dropped necks of the vessels;
− eliminated temperature gradient at the bottom of the nitrogen vessel;
− prevented movement of the center of mass of the vessels and dynamical loadings
provoking increased evaporation of liquid helium.
All radiation shields have incisions. They are sewed by isolating material and secured
from Foucault currents.
The technical result is: the projected cryostat with the established design decisions re-
places three conventional cryostats. This fact permitted reduction of the size of the de-
vice, cost saving in the course of production, reduced expenditure of cryogenic liquids at
the operation and provided reliability of the operation of superconducting magnets.
Keywords: cryostat, superconducting magnets, helium tank, nitrogen tank, radiation
shield, vertical warm channel
Fig. Nitrogen-helium cryostat for superconducting magnets: а − external appearance of
the cryostat in the course of filling by liquid helium; б − construction of the cryostat in
the longitudinal cross-section; в − top view: 1 − helium tank, 2 − superconducting mag-
nets, 3 − nitrogen tank, 4 − radiation shield, 5 − vacuum cover, 6 − helium filler, 7 − col-
lector, 8 − pressure converter, 9 − vacuum valve, 10 − nitrogen filler, 11 − the top flange
of the cryostat, 12 − сap, 13 − partition wall, 14 − screw eye, 15 − fiberglass strut, 16 −
vertical warm feeds, 17 − compensation device, 18 − local capacity, 19 − outlet
|