專利名稱：低溫保持器組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低溫保持器(cryostat)組件，用于例如將超導(dǎo)磁體或類似物冷卻到低溫。這種組件用于例如核磁共振(NMR)、磁共振成像(MRI)、離子回旋加速共振(ICR)和動(dòng)態(tài)核偏振(DNP)。
背景技術(shù)：
在使用這種低溫保持器組件的典型實(shí)驗(yàn)中，典型地冷卻超導(dǎo)磁體，需要探測(cè)由檢測(cè)樣品發(fā)出的相對(duì)微弱的信號(hào)。重要的是要消除大量噪音信號(hào)以便能夠清晰地探測(cè)到檢測(cè)信號(hào)。過(guò)去曾發(fā)生的一個(gè)問(wèn)題是，用作低溫保持器組件一個(gè)部件的機(jī)械冷卻器會(huì)導(dǎo)致機(jī)械振動(dòng)，其會(huì)通過(guò)器壁傳遞到低溫保持器組件的其余部分。為了避免這個(gè)問(wèn)題，人們引入了隔離器件例如風(fēng)箱(bellows)。這種已知系統(tǒng)的實(shí)例在US-S-2004/0051530、EP-A-00903588和EP-A-00864878有描述。
盡管有這些措施，我們發(fā)現(xiàn)，輸出頻譜仍然顯示一些噪音效應(yīng)。例如，圖1示出了從具有脈沖管致冷機(jī)的牛津儀器Activelycooled 400低溫保持器獲得的NMR噪音頻譜的一部分。這是由水樣品的鎖定質(zhì)子信號(hào)(lock-in proton signal)產(chǎn)生的，最終的峰代表在NMR測(cè)量中見到的噪音?？梢钥闯觯?-2Hz附近存在顯著的噪音效應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，低溫保持器組件包括一個(gè)液體冷卻劑容器；一個(gè)機(jī)械冷卻器，其位于容器上方并具有至少一個(gè)冷卻級(jí)(stage)；一個(gè)在使用時(shí)用于將氣體冷卻劑從容器輸送到冷卻級(jí)的通道，其中冷卻劑在冷卻級(jí)冷凝，然后通過(guò)該通道返回容器；和一個(gè)聲波衰減器，其位于通道內(nèi)，用于衰減從機(jī)械冷卻器產(chǎn)生的并通過(guò)氣體冷卻劑傳播的聲能的傳遞，同時(shí)允許氣體冷卻劑流動(dòng)到冷卻級(jí)，并允許冷凝的冷卻劑回流到容器。
我們認(rèn)識(shí)到，所觀察到的噪音效應(yīng)并不是由于通過(guò)低溫保持器器壁傳播的機(jī)械振動(dòng)，而是由于施加在低溫保持器液體水平之上的氣體體積的聲音振動(dòng)，而這是由以大約1Hz的頻率振動(dòng)的機(jī)械冷卻器觸發(fā)的。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)谟糜趯怏w冷卻劑從容器輸送到冷卻級(jí)并將液體冷卻劑返回到容器的通道內(nèi)插入了一個(gè)聲波衰減器。然而，需要仔細(xì)地考慮該衰減器的精確性質(zhì)，以便不會(huì)不當(dāng)?shù)赜绊憵怏w和液體冷卻劑的流動(dòng)。實(shí)際上，該最佳參數(shù)需要經(jīng)驗(yàn)地確定。
典型地，聲波衰減器包括一個(gè)具有至少一個(gè)通道的元件，該通道的直徑小于聲波在氣體中的波長(zhǎng)。然而優(yōu)選地，該衰減器包括許多個(gè)這樣的通道，且通道的直徑應(yīng)當(dāng)比聲波在冷卻劑氣體，例如氦氣，中的波長(zhǎng)小多個(gè)數(shù)量級(jí)，以便使聲音以高振幅衰減擴(kuò)散傳播。
通道可以呈直線形，并且布置成規(guī)則或不規(guī)則的陣列，當(dāng)然也能夠想象非直線的通道。
我們認(rèn)識(shí)到，除了阻止施加在氣體體積上的聲音振動(dòng)的傳播之外，聲波衰減器還具有另一個(gè)重要的功能。這就是，在除去“冷頭”(coldhead)期間，它能夠阻止冷卻劑氣體的流動(dòng)，從而使蒸發(fā)的氣體通過(guò)另一個(gè)對(duì)蒸發(fā)(boil-off)具有最小抵抗的通風(fēng)路徑進(jìn)行傳播。
優(yōu)選地，聲波衰減器具有低熱傳導(dǎo)系數(shù)，盡管這并不是必需的。
機(jī)械冷卻器的實(shí)例包括一個(gè)低溫冷卻器，例如脈沖管致冷機(jī)、Gifford-McMahon致冷機(jī)、Stirling冷卻器和Joule-Thomson冷卻器。
如上所述，該組件能夠用于冷卻位于冷卻劑容器內(nèi)的或者與之熱連接的物件，例如超導(dǎo)磁體。


現(xiàn)在將參考

根據(jù)本發(fā)明的低溫保持器組件的一個(gè)實(shí)例，其中圖1示出了從先前技術(shù)組件獲得的NMR頻譜的噪音部分；
圖2的頻譜類似于圖1并且是從相同的組件獲得的，但它是在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)例進(jìn)行修改并插入了一個(gè)聲波衰減器之后獲得的；圖3是根據(jù)本發(fā)明的低溫保持器組件一個(gè)實(shí)例的示意圖；圖4A-4C分別是根據(jù)本發(fā)明的聲波衰減器插塞的一個(gè)實(shí)例的透視圖、底視端視圖和沿著圖4B中A-A線的斷面；圖5示出了用于討論本發(fā)明的理論所需的參數(shù)。
具體實(shí)施例方式
圖3示意地示出了用于NMR的低溫保持器組件的部件，該組件包括一個(gè)環(huán)形液氦容器1，其圍繞軸線2布置并限定了一個(gè)鉆孔(未顯示)。實(shí)際上，容器1被圍以多個(gè)熱屏蔽裝置，并可能有其它的冷卻劑容器，但是簡(jiǎn)單起見，圖中只顯示了單一的50K熱屏蔽裝置3。
容器1內(nèi)有一個(gè)環(huán)形超導(dǎo)磁體4，并且也圍繞軸線2。
容器1的上壁具有一個(gè)孔徑5。該孔徑5與腔體6或轉(zhuǎn)塔(turret)7相連，其中腔體6具有一個(gè)向外延伸的管子，轉(zhuǎn)塔7內(nèi)設(shè)置了兩級(jí)脈沖管致冷機(jī)(PTR)9的第二級(jí)8。典型地，腔體6的壁的一部分形成一個(gè)風(fēng)箱，限制振動(dòng)的傳播。
在使用中，到達(dá)容器1的熱量導(dǎo)致液氦沸騰，氦氣通過(guò)孔徑5傳播到腔體6，在那里它冷凝在PTR9的第二級(jí)8上，最終的液體回落到容器1內(nèi)。
如上所述，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，PTR9的機(jī)械振動(dòng)不僅使低溫保持器組件的器壁振動(dòng)，還導(dǎo)致聲波通過(guò)腔體6內(nèi)的氦氣傳播回容器1，從而導(dǎo)致從鉆孔內(nèi)的樣品獲得的NMR信號(hào)中出現(xiàn)噪音。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，用一個(gè)聲波衰減器插塞10填塞其中一個(gè)孔徑5。
圖4更詳細(xì)地顯示了這種插塞10的一個(gè)實(shí)例。從圖4A可以看出，插塞包括一個(gè)圓柱形體部分20，在其上端具有一對(duì)橫向向外延伸的半圓形凸緣22，24。凸緣22、24之間形成一個(gè)縫隙23，用于排出液氦。
插塞10用低熱傳導(dǎo)率的材料制成，例如PTFE、不銹鋼、G-10、泡沫、塑料、FRP或陶瓷。
在本實(shí)例中使用G-10，并且插塞具有一個(gè)由25個(gè)孔26構(gòu)成的規(guī)則陣列，每一個(gè)孔的直徑為2.5mm，并沿著體20的長(zhǎng)度呈直線形延伸。這從圖4C中能夠最清晰地看出，需要注意，每個(gè)通道26的長(zhǎng)度為32mm。這些直徑應(yīng)當(dāng)與聲音在低溫氦中的波長(zhǎng)相比擬，該波長(zhǎng)大約為104m。
用體20填塞腔體5并使凸緣22、24延伸到部分位于腔體6的基體之上，將插塞10插入到腔體5內(nèi)。
現(xiàn)在說(shuō)明本發(fā)明的理論背景。
插塞10固定在空間5內(nèi)，通過(guò)該空間5，PTR9第二級(jí)上的冷凝器能夠看到氦容器1中的液氦。插塞10必須滿足兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)a)使氦氣中由PTR第二級(jí)產(chǎn)生的聲音振動(dòng)與氦容器隔離，b)使蒸發(fā)的(boil off)氦氣能夠向上通過(guò)它，并使冷凝的液氦通過(guò)它回落到氦容器內(nèi)。
圖5顯示了插塞工作的示意圖。通路30連接兩個(gè)區(qū)域1和6。區(qū)域6能夠看作振動(dòng)源，在本實(shí)例中是PTR，通路30是具有小通道的插塞位置，區(qū)域1是液氦罐或其內(nèi)具有液氦的容器。A1是由區(qū)域6內(nèi)的PTR產(chǎn)生的聲音振動(dòng)的振幅，而A2和A3分別是通過(guò)插塞、氦罐攜載的聲音振動(dòng)的振幅。Z1，Z2，Z3是各個(gè)位置的聲音阻抗，而A1r和A2r是反射聲音振動(dòng)的振幅。l是插塞10的長(zhǎng)度。我們認(rèn)為，考慮Z3＝Z1。在本實(shí)例中，典型地有兩個(gè)面積變化，即從6到30，和從30到1。這些面積變化使聲音振動(dòng)的振幅降低或衰減。
A1是振動(dòng)在源處的振幅，其大小是最大的。插塞的目的是使最終到達(dá)氦罐的A3值最小化。為了實(shí)現(xiàn)它，應(yīng)當(dāng)通過(guò)增加阻抗Z1和Z2使A1r和A2r的數(shù)值最大化。
由聲學(xué)基本原理(A1r/A1)＝(1-Z2/Z1)/(1+Z2/Z1)對(duì)于1＞＞d(其中l(wèi)和d分別是插塞通道的長(zhǎng)度和直徑)A3/A1＝2/sqrt(2+Z1/Z2+Z2/Z1)其近似給出如下等式
A3/A1≈2/sqrt(λ/R)其中λ是振動(dòng)在給定介質(zhì)中的波長(zhǎng)，R是通道半徑＝d/2。
因此，對(duì)于1＞＞d的情況，通過(guò)通道傳播的振幅直接依賴于插塞中通道的半徑，并且其應(yīng)當(dāng)盡可能地小，以便使A3保持為小。
如果聲音在空氣中的速度為104m/s，這意味著頻率為1Hz時(shí)，λ為104m。如果R為大約1mm，則A3/A1＝0.0062，即99.38％的振幅降低。
然而同時(shí)，通道的直徑不能夠再進(jìn)一步降低，因?yàn)樗鼤?huì)對(duì)氣流的向上流動(dòng)產(chǎn)生抵抗。對(duì)于流速v、密度p和摩擦系數(shù)F，跨長(zhǎng)度為l、直徑為d的通道的壓力降Δp為Δp＝pFlv2/(2d)其顯示，如果直徑或長(zhǎng)度增加，則壓力降會(huì)增加，導(dǎo)致對(duì)氣體流過(guò)通道產(chǎn)生抵抗。
這就需要對(duì)聲音插塞的直徑和長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化，以便使其在對(duì)聲音振動(dòng)的傳播產(chǎn)生抵抗的同時(shí)，不會(huì)限制氦氣流過(guò)它。
本發(fā)明的效應(yīng)能夠通過(guò)比較圖1和2看出來(lái)。圖1中低頻率處的顯著噪音分量在圖2的頻譜中被消除了。
權(quán)利要求
1.一種低溫保持器組件，包括液體冷卻劑容器；機(jī)械冷卻器，其具有至少一個(gè)位于容器上方的冷卻級(jí)；通道，其用于將氣體冷卻劑從容器輸送到冷卻級(jí)，在此冷卻劑在使用時(shí)被冷凝，然后通過(guò)通道返回到容器；和聲波衰減器，其位于通道內(nèi)，用于衰減從機(jī)械冷卻器產(chǎn)生的并通過(guò)氣體冷卻劑傳播的聲音能量的傳遞，同時(shí)允許氣體冷卻劑流動(dòng)到冷卻級(jí)，并允許冷凝的冷卻劑流回容器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的組件，其中聲波衰減器包括一個(gè)元件，該元件具有至少一個(gè)直徑小于聲波在氣體中的波長(zhǎng)的通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的組件，其中該通道或每個(gè)通道的直徑比聲波在氣體中的波長(zhǎng)小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的組件，其中該直徑比聲波在氣體中的波長(zhǎng)小大約5個(gè)數(shù)量級(jí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任何一個(gè)的組件，其中該通道或每個(gè)通道的直徑基本上為2.5mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求2-5中任何一個(gè)的組件，其中該元件具有多個(gè)所述通道。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的組件，其中該通道圍繞衰減器的中心軸基本上對(duì)稱地布置。
8.根據(jù)前述任何一個(gè)權(quán)利要求的組件，其中聲波衰減器是不導(dǎo)熱的。
9.根據(jù)前述任何一個(gè)權(quán)利要求的組件，其中聲波衰減器用如下材料之一制成PTFE、不銹鋼、G-10、泡沫、塑料、FRP或陶瓷。
10.根據(jù)前述任何一個(gè)權(quán)利要求的組件，其中機(jī)械冷卻器包括如下之一脈沖管致冷機(jī)、Gifford-McMahon致冷機(jī)、stirling冷卻器和Joule-Thomson冷卻器。
11.根據(jù)前述任何一個(gè)權(quán)利要求的組件，進(jìn)一步包括一個(gè)待被冷卻的物件，該物件位于冷卻劑容器內(nèi)或與之熱連接。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的組件，其中該物件包括超導(dǎo)磁體。
13.一種分析裝置，包括根據(jù)權(quán)利要求12的低溫保持器組件；和一個(gè)用于分析暴露于由超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)的樣品的系統(tǒng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的分析裝置，該裝置適合于執(zhí)行如下之一NMR、ICR、DNP和MRI。
全文摘要
一種低溫保持器組件，包括一個(gè)液體冷卻劑容器(1)；一個(gè)機(jī)械冷卻器(9)，其位于容器上方并具有至少一個(gè)冷卻級(jí)；和一個(gè)通道(5)，其在使用時(shí)用于將氣體冷卻劑從容器輸送到冷卻級(jí)，使冷卻劑在冷卻級(jí)冷凝，然后通過(guò)該通道將之返回容器。通道(5)內(nèi)設(shè)置一個(gè)聲波衰減器(10)，用于衰減從機(jī)械冷卻器產(chǎn)生的并通過(guò)氣體冷卻劑傳播的聲音能量的傳遞，同時(shí)允許氣體冷卻劑流動(dòng)到冷卻級(jí)，并使冷凝的冷卻劑流回容器。
文檔編號(hào)F25D19/00GK1808026SQ20051013813
公開日2006年7月26日 申請(qǐng)日期2005年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月24日
發(fā)明者菲利普·亞歷山德爾·卡爾, 歐萊格·基里切克, 米林德·迪瓦卡爾·阿特雷 申請(qǐng)人:牛津儀器超導(dǎo)有限公司