Диссертация (Магнитометрические системы на основе сквидов для биомедицинских применений), страница 13

В сравнении с другими изоляционными материалами ЭВТИобладает минимальными теплопроводностью и массой, что предопределило ееширокое использованиев криогенныхустройствах,и,вчастности,вмагнитопрозрачных стеклопластиковых криостатах.ВкачествеэкрановЭВТИнаибольшеераспространениеполучилиалюминизированные полимерные пленки со степенью черноты 0.025-0.05. Для70снижения уровня магнитных шумов криостата ЭВТИ подвергают дополнительнойобработке, в результате которой нарушается сплошность металлическогопокрытия, нанесенного на полимерную пленку.

Для этого используется либонанесение полос методом выжигания, либо сминание экранов, хотя в последнемслучае степень черноты существенно возрастает.В качестве прокладок между металлизированными слоями используютсяразличные виды стеклобумаги, сетки (лавсановые или нейлоновые), вискозныебумаги.Недостаткомстеклобумагявляетсязначительноегазовыделение,ухудшающее вакуум между оболочками криостата, а также определенныетехнологические проблемы во время монтажа. Прокладочные бумаги на основевискозы и недавно созданные типы базальтовых бумаг обладают достаточнохорошими изолирующими свойствами и вполне технологичны при формированиимногослойных пакетов ЭВТИ.Одной из наиболее сложных проблем при создании криостатов являетсянеобходимость обеспечения достаточно высокого вакуума в изоляционномпространстве между внутренней и внешней оболочками криостата.

Известно, чтонаименьшие значения теплопроводности ЭВТИ достигаются при давлении ниже10-2 Па, поэтому материалы ЭВТИ должны обладать малым газовыделением ивысокой газопроницаемостью. Расчеты показывают, что для длительногоподдержания вакуума в криостате, газовыделение материалов ЭВТИ должно бытьна уровне 10-8 – 10-9 л × мм. рт. ст. / с × см2, и может быть достигнуто путемобезгаживания при температуре 100-130 градусов Цельсия в течение двух-трехсуток.Газопроницаемость ЭВТИ описывается соотношением [97]:1D   L p  Va3(2.1)где D – коэффициент диффузии, Lp – характерный размер (средняя длинапробега молекул между столкновениями со стенками, Va – тепловая скоростьмолекул, которая пропорциональна Т1/2.71Для продольного направления характерный размер Lp равен удвоенномурасстоянию между слоями [97].

Газопроницаемость ЭВТИ в направлении,перпендикулярном поверхности слоев, зависит от пористости экранов иописывается более сложным выражением для Lp [97, 98]. На практикегазопроницаемость ЭВТИ вдоль слоев на два-три порядка выше, чем впоперечном направлении.Для обеспечения высокой тепловой эффективности криостата существенно,чтобы ЭВТИ имела не только низкую теплопроводность в поперечномнаправлении, но и высокую в продольном, поскольку это важно для болееполного использования холода отходящих паров гелия. При низких температурахосновной вклад в продольную теплопроводность вносит теплопроводностьнапыленного на пленку слоя металла, а при высоких температурах становитсясущественным вклад лучистого теплопереноса между слоями ЭВТИ.

При этомего величина резко возрастает при переходе от диффузного отражения излучениямежду экранами к зеркальному [98].Теплоперенос в направлении, перпендикулярном поверхности экранов, придавлении ниже 10-2 Па определяется радиационной и контактной составляющимитеплового потока. Для волокнистых прокладок основное влияние на контактныйтеплоперенос оказывает термосопротивление стягивания теплового потока кпятнам контакта экран-прокладка.

Контактная составляющая теплопроводностиописывается соотношением [99, 100]:к 4 a  n l п(2.2)и зависит от числа контактов n, радиуса контактных пятен а, расстояния междуэкранами l, теплопроводности прокладки в продольном направлении λп и не зависит от толщины прокладки.Большинство композитных бумаг являются преимущественно поглощающими,поэтому для снижения радиационнокондуктивного теплообмена в ЭВТИнеобходимо уменьшение контактных усилий сжатия в ЭВТИ, а также разработка72чисторассеивающихпрокладок.Особенноактуальнаэтазадачадлядублированных ЭВТИ, у которых возрастает степень черноты экрана со стороныпрокладки [101].Нами были использованы способы снижения усилий сжатия в ЭВТИ за счеттермического снятия напряжения в экранах или прокладках с термопластичнымиволокнами [102]. После прогрева ЭВТИ при температурах от 60 до 130 С (взависимости от использованных материалов) происходит терморелаксациянапряжений в материалах ЭВТИ, уменьшение усилия обжатия, в результате чеготеплопритоки через изоляцию снижаются на 15-20 %.

Указанный способ былпрактическиреализованприизготовлениистеклопластиковыхмагниторадиопрозрачных криостатов в ООО «НПО КРИОТОН».Анализ литературных источников также показал, что в настоящее время встранеразработаныивыпускаютсяконструкционные,вакуумныеитеплоизоляционные материалы, позволяющие вести разработку и эксплуатациюдостаточно совершенных магниторадиопрозрачных криостатов для жидкого гелияи азота. Ряд композиционных материалов (ЭВТИ, составы клеевых комплексов,термохимически модифицированный фенольный стеклопластик), созданныхспециализированными организациями страны, по своим параметрам не уступаютили превосходят лучшие зарубежные аналоги (например, ЭВТИ на основеадсорбирующих газы прокладок).Дальнейшее повышение эффективности и надежности криостатов требуетпроведения широкого комплекса исследований теплофизических, физикомеханических,электромагнитныхсвойствкомпозиционныхматериаловкриогенно-вакуумного назначения с целью улучшения их характеристик,создания новых материалов и отработки более совершенных технологий ихполучения и обработки (в частности технологий ускоренного обезгаживания,вакуумной полимеризации и СВЧ-обработки).

Особенно актуальными являютсявопросыснижениясобственногогазовыделенияигазопроницаемостистеклопластиков, повышения механической прочности материалов клеевых швов,снижения теплопроводности ЭВТИ и пеноматериалов для пробок, повышения73эффективностиадсорбирующихматериаловиснижениямагнитнойвосприимчивости всех названных материалов.На основе проведенного анализа характеристик доступных в стране типовЭВТИ и прокладочных материалов при конструировании криостатов быливыбраны для использования полимерная полиэтиленовая пленка, с двух сторонпокрытая слоями алюминия толщиной 5 мкм, и прокладочная бумага марки СИТ10, ГОСТ 5446-017-00286399-88.2.2 Конструкции стеклопластиковых криостатов для биомагнитныхСКВИД-систем2.2.1 Основные требования к конструкции и характеристикам криостатов длябиомагнитных магнитометрических СКВИД-системКриостатдлябиомагнитноймагнитометрическойСКВИД-системыпредставляет собой конструкцию из стеклопластика, предназначенную длястабилизации температуры измерительных зондов со СКВИД-датчиками.

Вкачестве хладагента для работы СКВИД-датчиков на основе пленок ниобияобычно применяется жидкий гелий, а после открытия высокотемпературныхсверхпроводников (ВТСП) и появления СКВИДов на их основе - и жидкий азот.Основными характеристиками, определяющими качество криостата, являютсяскорость испарения гелия или азота, и уровень его собственных магнитныхшумов. Для биомагнитных применений также важным является величинарасстояния «тепло-холод», т.е.

расстояния от наружной поверхности дна внешнейколбы, находящейся при комнатной температуре, до поверхности дна внутреннейколбы криостата, находящейся при температуре кипения жидкого гелия или азота.Это расстояние характеризует возможность разместить приемныетрансформаторовмагнитногопотокаСВКИД-магнитометровградиентометров максимально близко к источникам биомагнитного сигнала.виткиили74Стеклопластиковые криостаты для жидкого гелия, которые используются напрактике, можно разделить на два типа - один тип криостатов для уменьшениятеплопритока использует дополнительную «рубашку», заполняемую жидкимазотом (так же, как в некоторых транспортных металлических сосудах дляхранения и транспортировки жидкого гелия) или емкость с жидким азотом,располагаемую в пробке криостата, и второй тип криостатов, у которогодополнительное охлаждение азотом полностью отсутствует.

К недостаткамкриостатовпервогоиспользованиитипаследуетдополнительнойотнести«азотной»сложностьрубашки,конструкциит.е.посутиприделанеобходимости создания одного криогенного сосуда внутри другого. Еслииспользовать дополнительный сосуд с жидким азотом, размещаемый в горловинегелиевогокриостата,товозникаютсложностисконструированиемизмерительных зондов магнитометрической СКВИД-системы, и невозможностисделать их съемными без полного отепления всей установки.

Успехи последнихлет в области проектирования и создания полностью «безазотных» криостатовделают более предпочтительным использование криостатов именно этого типапри создании практических магнитометрических систем на основе СКВИДов.Криостаты для биомагнитных применений могут иметь простую форму(рисунок 2.5), когда наружная и внутренняя оболочки представляют собойцилиндры из стеклопластиковых труб с вклеенными с одной стороны донышкамии соединенные в верхней части посредством вклеенного стеклопластиковогокольца требуемых диаметров. Обычно такие криостаты называют «шахтными».Либо криостат может иметь более сложную конструкцию, когда внутренняяколба состоит из хвостовика, основного резервуара для хладагента и горловины(рисунок 2.6), а внешняя колба также оканчивается хвостовиком меньшего посравнению с основным диаметра.