使用脉管制冷机传导冷却的外镀铜膜超导腔的冷却结构

1.本发明涉及一种使用脉管制冷机传导冷却的外镀铜膜超导腔的冷却结构，用于微型射频超导结构。


背景技术：

2.微型射频超导结构采用射频超导腔作为粒子的加速部件，相比常温的射频技术，具有成本低，束流损失少、加速梯度更高的优势。超导腔必须工作在超导温区，一般的工作温度为2-5k的液氦温区。在大型超导加速器中，超导腔使用液氦浸泡的方式进行冷却以维持超导腔的温度稳定。为了提供充足的液氦，需要为超导模组配备一整套复杂昂贵的液氦低温系统。低温系统体积庞大，造价高昂，并且需要长期投入进行维护。这导致超导加速器在其他邻域的应用受到很大的限制。
3.随着超导腔技术的更新和发展，超导腔的q0值不断提高。q0值的提高意味着超导腔在工作温区的电磁损耗逐渐减少，使得采用小型制冷机对超导腔进行冷却的的传导冷却方案成为可能。微型射频超导结构采用小型制冷机的冷头提供冷量，通过热传导方式来冷却超导腔，这种方案的优势主要有：结构紧凑、成本低以及易于维护等。这些优势使得微型射频超导结构的使用场景更加广泛，不再受到设备体积以及维护困难等因素的影响，可以在工业废水处理、医药等领域进行应用。
4.但由于小型制冷机的冷量一般较小，所以也存在一些不足，包括：冷却能力弱、超导腔的温度不均匀以及局部热累积等问题。所以微型射频超导结构中，超导腔的冷却结构是限制超导腔性能的关键。传导冷却结构必须保证超导腔的温度稳定，并且具有一定的热负荷冲击能力，提高设备的可靠性。
5.影响超导腔温度的关键因素是传导冷却结构的设计、导热材料的选取和安装工艺。冷却结构的设计需要保证高效的传热，在超导腔的降温过程中保证足够的降温速度，超导腔不能有过高的温度梯度存在，且可控可调节。在产生热负荷波动的情况下，能及时传走热量，不发生局部的热量积聚，否则会导致超导腔局部温度升高，引发失超。此外导热材料之间的连接工艺会影响材料之间的接触热阻，进而影响传导冷却结构的传热能力。因此，传导冷却结构的设计需要综合考虑降温过程、失超过程、稳定工作时的换热需求，进行综合的设计和优化。相关的工艺也会对传导冷却结构的传热产生很大的影响。
6.冷却结构的设计还需要考虑不同类型制冷机冷头的振动，减少冷头针对超导腔性能的影响。脉管制冷机由于结构结构简单，制冷部分无运动部件冷头部分振动小且运行维修简单，故障低等优点，非常符合作为传导冷却超导腔的冷源。
7.目前国际上采用的传导冷却超导腔的冷却结构存在冷却结构体积和冷质量较大、降温过程控制不精确、超导腔表面温度梯度较大的不足。


技术实现要素：

8.本发明涉及一种使用脉管制冷机传导冷却的外镀铜膜超导腔的冷却结构，该结构
用于微型射频超导结构中的超导腔冷却。本发明充分考虑了外镀铜膜超导腔的外形、电磁损耗分布以及降温需求，设计了一种新型的传导冷却结构。该传导冷却结构采用超导腔的冷环、导热板和柔性导热材料构成主要的传热路径，冷环与导热板的尺寸均进行了优化设计，在满足传热要求的同时降低冷质量，采用在超导腔冷环上布置一定数量加热器的方式控制超导腔降温过程中的温度梯度，对温度进行精确调节。由于采用的导热板可以单独拆卸与安装，降低了安装的难度，并且节省了空间。
9.本发明的技术方案为：
10.一种使用脉管制冷机传导冷却的外镀铜膜超导腔的冷却结构，其特征在于，包括脉管制冷机1、柔性导热材料连接单元3、导热板6、加热器7、上部冷环5、中部冷环10、下部冷环9；
11.所述上部冷环5、中部冷环10、下部冷环9分别用于设置于待温控的外镀铜膜超导腔的上部、中部和下部；所述上部冷环5、中部冷环10、下部冷环9的材料与所述外镀铜膜超导腔的材料相同；
12.所述导热板6包括若干组薄板，每组薄板包括第一导热薄板和第二导热薄板，所述第一导热薄板一端与所述上部冷环5连接，另一端与所述中部冷环10连接；所述第二导热薄板一端与所述下部冷环9连接，另一端与所述中部冷环10连接；
13.所述柔性导热材料连接单元3一端与所述中部冷环10连接，另一端与所述脉管制冷机1的二级冷头2连接；
14.所述中部冷环10上布置有若干加热器，用于控制调节所述外镀铜膜超导腔在降温过程的温度梯度，使得所述温度梯度在设定范围内。
15.进一步的，所述中部冷环10下方设置一支撑板8，所述支撑板8与所述外镀铜膜超导腔所在的真空筒体顶部连接，用于支撑所述外镀铜膜超导腔。
16.进一步的，所述导热板6、所述中部冷环10、所述支撑板8之间通过去磁处理的螺栓12连接固定在一起。
17.进一步的，所述螺栓12与所述导热板6之间以及所述导热板6与所述外镀铜膜超导腔之间均使用铟箔增加接触，所述螺栓12的预紧力设计为7.5kn，从而实现连接处的热阻小于3.5k/w@4.5k的设计指标。
18.进一步的，所述导热板6与所述上部冷环5、所述下部冷环9之间通过去磁处理的螺栓连接固定，所述螺栓、所述导热板6、所述上部冷环5、所述下部冷环9两两之间均使用铟箔增加接触。
19.进一步的，所述柔性导热材料连接单元3的一端通过多个去磁处理的螺栓与所述中部冷环10连接，所述螺栓与柔性导热材料连接单元3、中部冷环10之间使用铟箔增加接触，螺栓的预紧力设计为10kn，从而实现连接处的热阻小于1.5k/w@(4.5k)的技术指标。
20.进一步的，所述外镀铜膜超导腔、所述导热板6、柔性导热材料单元3、中部冷环10上均布置有温度传感器，用于采集温度并发送给所述加热器的控制单元，
21.进一步的，所述中部冷环10上设置多个温度传感器所述导热板6与所述上部冷环5、所述中部冷环10、所述下部冷环9的连接处分别设置一温度传感器，所述柔性导热材料连接单元3与所述中部冷环10、所述二级冷头2的连接处分别设置一温度传感器；所述加热器的控制单元根据收到的温度数据判断所述中部冷环10的温度以及计算得到所述外镀铜膜
超导腔的温度梯度，反馈调节加热器的功率，使得所述中部冷环10周向的温度均匀且不超过设定值。
22.进一步的，所述第一导热薄板、第二导热薄板均为90
°
弯曲的薄板，厚度为4mm。
23.进一步的，所述上部冷环5、中部冷环10、下部冷环9均设有三个成120
°
分布的连接区域，用于与导热板6连接；所述上部冷环5与所述下部冷环9对称分布于所述外镀铜膜超导腔的上下两端。
24.本发明的优点如下：
25.本发明使用脉管制冷机传导冷却的外镀铜膜超导腔的冷却结构，该结构用于微型射频超导结构中的超导腔冷却。该冷却结构具有结构紧凑、降温过程可调可控、冷头振动对超导腔影响小、超导腔表面温度梯度低等显著优势，可以保证超导腔降温过程中的温度监测、控制需求和稳定工作时的温度稳定。由于采用脉管制冷机作为冷源，也提高了设备的可靠性，易于维护，降低了超导腔的使用成本。
附图说明
26.图1为传导冷却超导腔冷却结构模型图。
27.图2为中部冷环与导热板的连接图。
28.图3为加热器布置示意图。
29.图4为导热板结构图；(a)侧视图，(b)正视图。
30.图5为中部冷环结构图。
31.图6为上、下部冷环结构图；(a)正视图，(b)侧视图。
32.附图标记：1-脉管制冷机，2-二级冷头，3-柔性导热材料连接单元，4-外镀铜膜单cell650mhz超导腔，5-上部冷环，6-导热板(al)，7-加热器，8-支撑板(g10)，9-下部冷环，10-中部冷环，11-铟箔(0.1mm)，12-去磁螺栓，13-中部冷环与柔性导热材料连接区域，14-温度传感器。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
34.该发明的主要突出特点有：
35.特点1
36.该冷却结构使用一套脉管制冷机作为冷源，二级冷头通过柔性导热材料与超导腔的中部冷环连接，是4k温区传热的主要路径。
37.特点2.
38.超导腔共设计有三个冷环，分别为上部冷环5、中部冷环10、下部冷环9。每个冷环与超导腔为一体结构，使用相同的材料。每个冷环均设计有三个成120
°
分布的连接区域，用于与导热板6连接，上下两个冷环对称分布。相邻冷环之间通过使用螺栓12和al材料制成的导热板6相互连接，螺栓12与导热板6之间以及导热板6与超导腔之间均使用铟箔增加接触，保证接触充分，此情况下将螺栓12的预紧力设计为7.5kn，从而实现连接处的热阻小于3.5k/w@4.5k的设计指标。导热板6为两个90
°
弯曲的薄板，厚度为4mm。导热板的两薄板一端
与上部冷环5、下部冷环9连接，另一端与中部冷环10连接，导热板与冷环之间的连接示意图如2。采用可以方便拆卸的导热板连接超导腔上的三个冷环，在满足导热性能的同时，可以为传感器以及相关线缆的安装留有充足的空间。降温完成后，要求保证超导腔的最高温度低于4.8k，平均温度低于4.5k。
39.特点3.
40.柔性导热材料连接单元3的一端通过六个螺栓与超导腔中部冷环10进行连接，螺栓与柔性导热材料连接单元3、中部冷环10之间使用铟箔增加接触，保证接触充分，此情况下螺栓的预紧力设计为10kn，能够实现连接处的热阻小于1.5k/w@(4.5k)的技术指标。连接采用的螺栓均采用去磁处理，减少螺栓磁场对超导腔性能的影响。柔性导热材料连接单元3的一端与制冷机的二级冷头2连接。采用高性能柔性导热材料，一方面是为了满足高效的传热，另一方面是为了减少冷头振动对超导腔的影响。
41.特点4.
42.超导腔的中部冷环10还设计有吊装和固定功能。使用一块中部开孔、g10材料制成的支撑板8作为主支撑结构；中部冷环10与支撑板8连接在一起，超导腔通过中部冷环10与支撑板8连接固定。支撑板8的四角设计有螺纹孔，可以采用绝热性能良好的碳纤维或者g10制成的支撑板8与顶部的真空筒体连接，调节超导腔的位置。支撑板8需要满足绝热要求，其连接了常温端与低温段，所以必须具有良好的绝热能力，要求支撑板8的漏热低于0.05w。支撑板8需要支撑超导腔4、导热板6、传感器线缆、相关的射频部件等。
43.特点5.
44.中间冷环上布置有均匀分布的六个加热器，用于控制调节超导腔在降温过程的温度梯度，保证超导腔在降温过程中的温度梯度在允许范围内。较大的温度梯度会导致较大的热应力，此外降温速度也会影响超导腔的性能。需要根据提出的降温策略(根据降温过程对超导腔性能的影响决定)，控制降温速度。加热器的控制单元会接收来自温度传感器的温度数据，判断中部冷环10附近的温度以及超导腔的温度梯度，反馈调节加热器的功率。通过调节加热器的功率，保证中部冷环10周向的温度均匀，温度不超过设定值(冷环上的最大温差不超过0.5k)，超导腔表面的最大温差不超过1.5k。特别是在调节某一温度区间的降温速度时，通过调整加热器的功率可以调节整体的降温速度，控制温度梯度，满足磁通排出的要求(150-80k区间降温应该尽可能迅速，以避免超导腔氢中毒和满足磁通排出的要求)。此外，加热器在超导腔的复温时也可以加快复温的速度，节省实验时间。
45.在导热板6、柔性导热材料单元7、超导腔表面均布置有温度传感器。传感器的数据是控制降温速度的重要参考。温度传感器的位置通过仿真模拟获得。通过仿真可以获得降温过程中温度较高以及温度梯度较大的位置，温度梯度较大的位置在中部冷环10处，此处是降温过程中超导腔降温过程中温度较低的位置，也是温度梯度较大的位置。所以在中部冷环10处的传感器数量较多。在冷环5、9处一般降温速度较慢，温度较高。在导热板6与冷环的连接处，会布置温度传感器14，温度传感器14位于导热板与冷环的接触区域，使用环氧树脂粘接在在导热板6上。
46.特点6.
47.在螺栓连接处，不同材料之间采用铟箔增加接触，铟箔的厚度为0.1mm，材料表面粗造度不高于于0.2微米，螺栓预紧压力为5mpa，此时铟-铌之间4.2k的热阻采用dmm模型理
论公式计算约为0.24k*cm2/w，一般实际工程中，测量值会高于该值。通过增大预紧压力、减少表面粗造度可以有效地降低接触热阻。dmm模型为：
48.r
c,dmm,nb-in
[k*cm2/w]＝2.6*(t[k])-3
[0049]
该dmm模型中已包含了铌和铟的材料参数信息。
[0050]
冷却结构的尺寸设计及优化：
[0051]
冷却结构设计过程需要考虑超导腔表面温度的均匀性、降温时间以及加工、安装的可行性。传热的控制方程为：
[0052][0053]
其中，ρ为材料密度，c为比热容，t为温度，λ为导热率，为内热源。
[0054]
采用参数化建模的方式，对冷却结构的尺寸进行了优化，最终确定的导热板和冷环的尺寸如图4～6所示，其中，导热板6包括若干组薄板，每组薄板包括第一导热薄板和第二导热薄板，所述第一导热薄板一端与所述上部冷环5连接，另一端与所述中部冷环10连接；所述第二导热薄板一端与所述下部冷环9连接，另一端与所述中部冷环10连接；所述第一导热薄板、第二导热薄板均为90
°
弯曲的薄板，厚度为4mm，导热薄板的水平段长度为134mm、竖直段长度为150.8mm。中部冷环10的环宽为250mm，与导热板连接区域宽度为95mm，其上的螺孔为10mm，与柔性导热材料连接单元3的连接区域宽度为140mm，其上的螺孔为18.6mm。上下冷环结构相同，环宽均为105.4mm、厚度为6mm，与导热板连接区域宽度为95mm，其上的螺孔为10mm。
[0055]
使用该结构，超导腔的表面温差为1.3k(不加电磁场)，中部冷环的最大温差为0.25k。降温时间约为7.8小时。
[0056]
尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

技术特征：
1.一种使用脉管制冷机传导冷却的外镀铜膜超导腔的冷却结构，其特征在于，包括脉管制冷机(1)、柔性导热材料连接单元(3)、导热板(6)、加热器(7)、上部冷环(5)、中部冷环(10)、下部冷环(9)；所述上部冷环(5)、中部冷环(10)、下部冷环(9)分别用于设置于待温控的外镀铜膜超导腔的上部、中部和下部；所述上部冷环(5)、中部冷环(10)、下部冷环(9)的材料与所述外镀铜膜超导腔的材料相同；所述导热板(6)包括若干组薄板，每组薄板包括第一导热薄板和第二导热薄板，所述第一导热薄板一端与所述上部冷环(5)连接，另一端与所述中部冷环(10)连接；所述第二导热薄板一端与所述下部冷环(9)连接，另一端与所述中部冷环(10)连接；所述柔性导热材料连接单元(3)一端与所述中部冷环(10)连接，另一端与所述脉管制冷机(1)的二级冷头(2)连接；所述中部冷环(10)上布置有若干加热器，用于控制调节所述外镀铜膜超导腔在降温过程的温度梯度，使得所述温度梯度在设定范围内。2.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于，所述中部冷环(10)下方设置一支撑板(8)，所述支撑板(8)与所述外镀铜膜超导腔所在的真空筒体顶部连接，用于支撑所述外镀铜膜超导腔。3.根据权利要求2所述的冷却结构，其特征在于，所述导热板(6)、所述中部冷环(10)、所述支撑板(8)之间通过去磁处理的螺栓(12)连接固定在一起。4.根据权利要求3所述的冷却结构，其特征在于，所述螺栓(12)与所述导热板(6)之间以及所述导热板(6)与所述外镀铜膜超导腔之间均使用铟箔增加接触，所述螺栓(12)的预紧力设计为7.5kn，从而实现连接处的热阻小于3.5k/w@4.5k的设计指标。5.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于，所述导热板(6)与所述上部冷环(5)、所述下部冷环(9)之间通过去磁处理的螺栓连接固定，所述螺栓、所述导热板(6)、所述上部冷环(5)、所述下部冷环(9)两两之间均使用铟箔增加接触。6.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于，所述柔性导热材料连接单元(3)的一端通过多个去磁处理的螺栓与所述中部冷环(10)连接，所述螺栓与柔性导热材料连接单元(3)、中部冷环(10)之间使用铟箔增加接触，螺栓的预紧力设计为10kn，从而实现连接处的热阻小于1.5k/w@(4.5k)的技术指标。7.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于，所述外镀铜膜超导腔、所述导热板(6)、柔性导热材料单元(3)、中部冷环(10)上均布置有温度传感器，用于采集温度并发送给所述加热器的控制单元。8.根据权利要求7所述的冷却结构，其特征在于，所述中部冷环(10)上设置多个温度传感器所述导热板(6)与所述上部冷环(5)、所述中部冷环(10)、所述下部冷环(9)的连接处分别设置一温度传感器，所述柔性导热材料连接单元(3)与所述中部冷环(10)、所述二级冷头(2)的连接处分别设置一温度传感器；所述加热器的控制单元根据收到的温度数据判断所述中部冷环(10)的温度以及计算得到所述外镀铜膜超导腔的温度梯度，反馈调节加热器的功率，使得所述中部冷环(10)周向的温度均匀且不超过设定值。9.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于，所述第一导热薄板、第二导热薄板均为90
°
弯曲的薄板，厚度为4mm。
10.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于，所述上部冷环(5)、中部冷环(10)、下部冷环(9)均设有三个成120
°
分布的连接区域，用于与导热板(6)连接；所述上部冷环(5)与所述下部冷环(9)对称分布于所述外镀铜膜超导腔的上下两端。

技术总结
本发明公开了一种使用脉管制冷机传导冷却的外镀铜膜超导腔的冷却结构，其包括脉管制冷机、柔性导热材料连接单元、导热板、加热器、上部冷环、中部冷环、下部冷环；各冷环的材料与外镀铜膜超导腔的材料相同；导热板包括若干组薄板，每组薄板包括第一导热薄板和第二导热薄板，第一导热薄板一端与上部冷环连接，另一端与中部冷环连接；第二导热薄板一端与下部冷环连接，另一端与中部冷环连接；柔性导热材料连接单元一端与中部冷环连接，另一端与脉管制冷机1的二级冷头2连接；中间冷环上布置有若干加热器，用于控制调节外镀铜膜超导腔在降温过程的温度梯度，使得温度梯度在设定范围内。本发明提高了设备可靠性、易于维护，降低了超导腔的使用成本。的使用成本。的使用成本。


技术研发人员：葛锐 常正则 周健荣 徐妙富 沙鹏 马长城
受保护的技术使用者：中国科学院高能物理研究所
技术研发日：2023.03.23
技术公布日：2023/7/7