О системах Cryogen Free

Американская Cryo Industries of America (CIA), Inc обладает более чем 25-летним опытом в проектировании и производстве криогенных систем со сверхпроводящими магнитами. Наш профиль – индивидуальный подход к каждому проекту.

Cryo предлагает криогенные системы замкнутого цикла со сверхпроводящими магнитами, которые сочетают в себе инновационные технологии с магнитными полями от 2 до 19 Тл (в зависимости от конструкции). Вы можете выбрать необходимую индуктивность магнитного поля. Доступны различные конфигурации магнитов, включая соленоиды с вертикальным полем или магниты на базе разборных катушек с горизонтальным полем.

Cryo предлагает конструкции со сверхпроводящими магнитами с вертикальным рабочим отверстием с комнатной температурой, с загружаемым сверху вкладышем переменной температуры или с обоими перечисленными вариантами. Магнит охлаждается системой Гиффорда-МакМагона или охладителями на пульсационных трубках в случае проведения экспериментов с низкой вибрацией.

Все системы со сверхпроводящими магнитами включают в себя:
• Кондуктивно охлаждаемый сверхпроводящий магнит;
• Съемную камеру с комнатной температурой или вкладыш переменной температуры;
• Рефрижератор замкнутого цикла (с охлаждением по системе Гиффорда-МакМагона или на пульсационных трубках);
• Компрессор;
• Программируемый реверсный биполярный источник питания магнита;
• Интегральный поглотитель энергии;
• Температурный контроллер;
• Температурный сенсор (или сенсоры).

Cryo Industries, в соответствии с принципом «Качество, заложенное в конструкцию», предлагает научной общественности много полностью протестированных и проверенных проектов систем со сверхпроводящими магнитами. Cryo также осуществляет техническую поддержку в течение всего срока службы системы.

 

Кондуктивно охлаждаемые системы

Кондуктивно охлаждаемая система со сверхпроводящим магнитом с вкладышем переменной температуры

Особенности системы:

Номер референсного чертежа: CF-500
• Вы выбираете магнитное поле при 4.2К
• Рабочий диапазон температур – от <5 до 325К
• Гомогенность +0,5% относительно центрального 1см DSV
• Номинальный рабочий ток <100А
• Установлен пожарный предохранитель
• Вводы тока для высокотемпературного сверхпроводящего магнита
• Встроенный вкладыш переменной температуры
• Аксиальный диаметр пустого отверстия – 2 дюйма
• Собранный крионасос с активированным углем
• Температурный сенсор CalFit Cernox (от 4 до 325К), установленный на магните
• Платиновый температурный сенсор, установленный на     1 ступени рефрижератора
• Температурный сенсор CalFit Cernox (от 4 до 325К), установленный на 2 ступени рефрижератора
• Труба для образца с внешним диаметром 1.25 дюйма и внутренним – 30.7мм
• Зонд для образца с регулятором вращения и линейными регулятором
• Нагреватель, установленный в держателе для образца
• Откалиброванный (от 4 до 325К) температурный сенсор Cernox, установленный в держателе для образца
• Два 10-пиновых электрических разъема
• Медный резистивный держатель образца с 8 разъемами
• Клапан подачи газовой смеси на образец с предохранительным клапаном
• Запорный клапан
• Сменный корпус образца с выпускным и предохранительным клапанами
• Одноваттный рефрижератор замкнутого цикла и компрессор
• 4К Sumitomo рефрижератор замкнутого цикла с мощностью охлаждения на магнит 1Вт при 4.2К
• Водяной компрессор с заменяемыми шлангами.

Кондуктивно охлаждаемая система со сверхпроводящим магнитом с рабочей зоной с комнатной температурой

Особенности системы:

Номер референсного чертежа: CF-2376-RTB
• Вы выбираете магнитное поле при 4.2К
• Гомогенность центрального поля ±0,1% относительно 10мм DSV
• Номинальный рабочий ток <60А
• Установлен пожарный предохранитель
• Вводы тока для высокотемпературного сверхпроводящего магнита
• Рабочая зона с комнатной температурой диаметром 3.03 дюйма
• Собранный крионасос с активированным углем
• Температурный сенсор CalFit Cernox (от 4 до 325К), установленный на одноваттном рефрижераторе замкнутого цикла и компрессоре
• 4К Sumitomo рефрижератор замкнутого цикла с мощностью охлаждения на магнит 1Вт при 4.2К
• Водяной компрессор с заменяемыми шлангами.
• Радиационный экран с кондуктивным охлаждением по системе Гиффорда-МакМагона на 1 ступени
• Геттер с активированным углем для сохранения вакуума
• Предохранительный клапан
• Герметичные изолированные электрические выводы
• Выпускной клапан с фланцем NW25
• Система работает без жидкого хладагента
• Набор инструментов для начала работы и руководство пользователя
• Гарантия – 1 год

 

 

Cryo Industries имеет собственную команду физиков и инженеров, которые позволят разработать систему со сверхпроводящими магнитами четко под ваши требования. Мы также предлагаем много систем для удовлетворения всевозможных экспериментальных требований, таких как эксперименты Мессбауэра. Ниже приведены примеры некоторых, наиболее инновационных, нестандартных проектов, произведенных Cryo.

Описание сверх.магнита

Универсальный охлаждаемый сверхпроводящий магнит на 15 Тл с рабочей зоной с комнатной температурой и оптическим окном (оригинал статьи - в исследовательском журнале "Current science")

 George Svenconis+, Leong Ying+, A. R. Raju# and C. N. R. Rao#,*

+Cryo Industries of America, Inc., 11124 South Willow Street, Manchester, NH 03103, USA
#Chemistry and Physics and Materials Unit, Jawaharlal Nehru Centre for Advanced Scientific Research, Jakkur, P. O., Bangalore 560 064,
India

---

Спроектирован и изготовлен сверхпроводящий магнит Nb3Sn, охлаждаемый по замкнутому циклу, с использованием одиночной катушки и высокотемпературного сверхпроводника 2223 из купрата висмута. Магнит позволяет создать поле индуктивностью до 15 Тл в рабочей области с комнатной температурой диаметром 52 мм, наблюдаемую через оптическое окно. Время охлаждения от комнатной тем-пературы до 3.5К – 13 часов. Максимально полученное поле – 15 Тл в течение 3 часов и 14,5 Тл – при длительном использовании. Данный магнит может быть особенно полезен в лабораториях, где нет постоянного доступа к жидкому гелию.

---

Сверхпроводящие магниты, использующие катушки Nb3Sn, помещенные в жидкий гелий, могут быть использованы для получения мощного магнитного поля [1]. Соединенные проводники в этих магнитах представляют собой медные полоски. Из-за тепловых потерь в этих полосках, эти магниты потребляют большие количества жидкого гелия. После открытия сверхпроводящих мате-риалов с высокой Tc, медные полоски стали заменяться на керамические полоски, сверхпроводящие при высокой Tc, что позволило уменьшить термические потери на величины до 90%. Рефрижератор замкнутого цикла, охлаждающий до 4.2К с мощностью охлаждения 1.0Вт при 4.2К был изготовлен с использованием охлаждения при теплопередаче через твердое тело. С инженерной точки зрения, возможно спроектировать сверхпроводящий магнит с использованием конвекционных катушек из Nb3Sn и сверх-проводящих полосок с высокой Tc таким образом, чтобы он мог работать без жидкого гелия. Важным требованием в сверхпроводящем магните является рабочая область с комнатной температурой, особенно для исследователей, работающих при высокой температуре, однако этого сложно достигнуть с общепринятой иммерсионной технологией. Максимально полезным может оказаться магнит, который сможет позволить получать поля с высокой индукцией без жидкого гелия, и у которого есть рабочая зона с комнатной температурой. Такой магнит также может решить проблемы, связанные с недостатком жидкого гелия во многих странах. Ключевым элементом в проектировании такого магнита является использование сверх проводящих полосок с высокой Tc в сочетании с охлаждающей системой работающей, например, по циклу охлаждения Гиффорда-МакМагона для достижения катушкой температуры в 4.2К. Наконец, при создании охлаждаемого сверхпроводящего магнита, необходимо подсоединить провода NbTi для достижения полей порядка 9 Тл или ниже [2, 3].

Сверхпроводящие охлаждаемые магниты [4-7], описанные в свежих публикациях, используют систему с тремя катушками, так как токи порядка 240А в одной катушке, необходимые для достижения полей в 15Тл и более, не могут быть получены. Размер магнита и термические потери в этих конструкциях также весьма велики. Для того, чтобы компенсировать эти потери, использовались два рефрижератора с мощностью охлаждения 1.0Вт при 4.2К, однако это значительно увеличило вес и стоимость магнита. Нами была разработана и изготовлена конструкция универсального магнита, позволяющего достигнуть поля в 15Тл с использованием провода из Nb3Sn, проводника Bi2Sr2Ca2CU3O10 (2223) с высокой Тс и рефрижератора замкнутого цикла жидкого гелия с мощностью охлаждения 1.0Вт при 4.2К с несколькими полезными особенностями.

 

Уникальные особенности магнита
Ниже перечислены уникальные особенности магнита, разработанного и изготовленного нами:
a) Одиночная катушка из Nb3Sn вместо двух или трех;
b) Время охлаждения от комнатной температуры до 3.5К составляет 13 часов против 100 часов и более в ранних проектах;
c) Малый размер и низкая цена магнита достигается за счет использования одной охлаждающей системы с замкнутым циклом
d) Объединение постоянных переключателей для возможности длительной работы магнита
e) Рабочая область с комнатной температурой для выполнения экспериментов по магнитному сопротивлению и других измерений в диапазоне от 12 до 500К
f) Оптическое окно для выполнения экспериментов с освещением и оптическим излучением.
В дальнейшем мы опишем основные аспекты разработки и производства магнита.

Табл. 1. Параметры Nb3Sn проводов и катушки магнита

Параметр	Значение
Диаметр провода	1,0 мм
Максимальный ток при 4,2К при 15 Тл	300 А
Диаметр отверстия в катушке	52,4 мм
Внешний диаметр катушки	121,0мм
Общая длина	200,0 мм
Диаметр от базы до центра поля	97,5мм

 

 

 

 

 

 

Проектирование и производство
При разработке магнита, мы решили использовать сист-му с одной катушкой, и путем долгого подбора выбрали мультиволокнистое ядро из Nb3Sn диаметром 1.0мм, изготовленное по модифицированному процессу Jelly Roll, с 53% содержанием меди для легкого рассеяния тепла – чтобы стало возможным получение тока в 240А. Спецификации провода Nb3Sn, использованного нами, приведены в таблице 1. Этот провод также помог ограничить температуру катушки ниже 60К, в случае резкого охлаждения в высоких полях. Катушка намотана на SS-сердечник с адаптивным  охлаждением, зависимым  от ре-
активного режима. Предохранителями выступают резисторы и 12 диодов, соединенных вплотную. Криостат имеет 52мм рабочую зону с комнатной температурой. Принципиальная схема, показывающая различные части магнита, представлена на рисунке 1.

Проводники, сделанные из ленты 2223 из купрата висмута с высоким Tc (выдерживает токи до 300А при 77К), были подключены между Nb3Sn и медным концевым зажимом. Первая секция криокулера Sumitomo (модель SRDK-408 с мощностью охлаждения 1.0Вт при 4.2К) была соединена с проводниками с высоким Tc, а вторая секция соединена с соленоидом Nb3Sn. Температура катушки сохранялась ниже 4.2К, включая магнит, или выключая его, если ток составлял менее 0.04А/с. 15-слойная изоляция сверхпроводящей катушки использована, чтобы минимизировать тепловые потери.
Кварцевые окна 20 мм диаметра расположенные внизу магнитной катушки, а также на держателе образца, позволяют проникновение света. Рефрижератор (модели CTI cryogenics 8200) и сопровождающий 50-ваттный нагреватель позволяют проводить измерения в диапазоне от 12 до 500К. Температура измеряется и контролируется сенсорами и контроллерами Cernox и PT100 Lakeshore. Трехмерное изображение в магнита и различных приспособлений разрезе приведены на рисунке 2.

В отсутствии магнитного поля, была достигнута температура катушки менее 3.4К, в то время как Tc для высоко-температурных сверхпроводников составляет 47К. Когда магнит включен в режим поля 15Тл (ток 227.7А) с использованием блока питания Cryogenic 240А (модель SMS 240C), температура катушки и проводников составляет 3.5К и 58К соответственно. Магнит может работать в режиме поля 15Тл в течение 3 часов без перерыва, либо любое время в режиме 14.5Тл (220А). Температура катушки и проводников составляет 3.5К и 58К соответственно в режиме 14.5Тл. Мы использовали кремниевые диодные сенсоры, такие как Cernox и RTD, в критических точках для мониторинга температуры каждой секции и контроля температуры измеряемого образца.
Полностью собранный магнит имеет высоту 112 см и диаметр 56 см. Вес – 150 кг. Фотография магнита в сборе, в конечной рабочей форме, представлена на рисунке 3.

Табл. 2. Параметры магнита

Параметр	Значение
Максимальное магнитное поле	15,0 Тл
Ток при 15 Тл	227,0 А
Гомогенность более 10 мм	0,1%
Полная индуктивность катушки	3,4 Гн
Средняя плотность витков	180 в/см2
Максимальное радиальное кольцевое напряжение	33 Kpsi
Постоянное нормальное сопротивление	35 Ом
Постоянное сопротивление обогревателя	100 Ом

 

Производительность магнита

Чтобы проверить рабочие характеристики магнита, мы выполнили измерения магнитного сопротивления поли-кристаллина, а также образца из тонкой пленки редкозе-мельных манганатов в различных полях и при различных температурах. На рисунке 4 мы привели изменения тем-пературы от сопротивления тонкой пленки Pr0.7Ca0.3MnO3, осажденной на подложке LaA1O3 (001), в различных магнитных полях. Pr0.7Ca0.3MnO3 это заря-дово-упорядоченный диэлектрик, с упорядочением заря-дов при температуре примерно 230 К [8]. Мы видим, что магнитное поле вызывает переход типа диэлектрик-металл в пленке. Материал становится металлическим при температуре ниже ~190 К в поле 14.5Тл.

Мы работали с магнитом 1700 часов или больше и счита-ем, что рабочие характеристики магнита удовлетвори-тельны. Когда мы завершили разработку этого магнита, мы  сравнили его с описанным Ватанабе в работе [9]. Он получил поле в 15Тл с использованием системы с тремя катушками. Время предварительного охлаждения маг-нита (от комнатной температуры до 3.4К) составило 110 часов, в то время как разработанный нами магнит требует только 13 часов для достижения той же температуры.

---

1. Suenaga, M., in, Superconductor Material Science (eds Foner, S. and Schwartz, B. B.), Plenum Press,New York, 1981, P. 201.
2. Jikihara, K., Watazawa, K., Mitsubori, H., Sakurah,a, J., Sugizaki, Y., Hasebe, T., Okubo, H., Ishihara-M. and Watanabe, K., IEEE Trans. Appl. Supercon., 1997, 7, 423.
3. Watanabe, K., Yamada, Y., Sakuraba, J., Hatal F., Chang, C. K., Haseh, T. and Ishihara, M., Jpn. J. Appl. Phys., 1993, 32, L488.
4. Watanabe, K., Awaji, S. and Kimura,, K., Jpn. J. Appl. Phys., 1997, 36, L673.
5. Hasebe, K., Mitsubori, H., Sakuraba, J., Ishihara, M., Awaji., S. and Watanabe, K., IEEE Trans. Appl. Supercon., 1997, 7, 707.
6. Dew-Hughes, D., Philos. Mag., 1974, 30, 293.
7. Turowski, P. and Schneider, Th., Physica B, 1989,155, 87.
8. Rao, C. N. R. and Raveau, B. (eds), Colossal Magnetoresistance, Charge-ordering and Related Properties of Manganese Oxides, World Scientific, Singapore, 1998.
9. Watanabe, K., Awaji, S., Motokawa, M., Mikami, Y., Sakuraba, J. and Watazawa, K., Jpn. J. Appl. Phys., 1998, 37, L1148.
БЛАГОДАРНОСТИ: Благодарим Департамент Науки и Технологии, правительство Индии за помощь в разработке и создании магнита.
Отправлено 8 июля 1999; принято 12 июля 1999