Диссертация (1024691), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Использование узкой горловины обеспечиваетуменьшение теплопритока по ней и, соответственно, уменьшение скоростииспарения гелия или азота из криостата. Использование хвостовика позволяетснизить расстояние «тепло-холод» до минимальных значений, чтобы как можноближе разместить приемные витки трансформаторов магнитного потока к75источнику биомагнитного сигнала. Конструкция криостата с хвостовиком обычноиспользуется в системах с небольшим количеством магнитометрических каналов.Рисунок 2.5 – Схема криостата «шахтного» типа: наружная колба – 1;внутренняя колба – 2; пробка в горловине криостата – 3; откачной клапан – 4;фланец пробки криостата – 5; патрубок для отвода газа – 6; заливное отверстие – 7На практике, в зависимости от решаемой задачи, в криостатах применяют иразличные комбинации простой и сложной форм их конструкций.
Однако, с точкизрения мелкосерийного производства, криостаты «шахтного» типа имеюточевидные преимущества, поскольку позволяют снизить количество склеек вконструкциикриостата(т.е.количестворучныхоперацийвпроцессе76изготовления)иповыситьтакимобразомнадежностькриостатапримногократных термоциклированиях.Рисунок 2.6 – Схема криостата с горловиной и хвостовиком: хвостовик – 1;наружная колба – 2, внутренняя колба – 3; пробка в горловине термостата – 4;страховочный клапан – 5; откачной клапан – 6; каналы для измерительных зондов– 7; заливное отверстие – 8; патрубок для отвода газообразного гелия – 9На рисунках использованы следующие обозначения:D1– внешний диаметр криостата; L1– длина криостата; D2 – внешний диаметрхвостовика; L2 – длина внешнего хвостовика; D3 – диаметр горловины криостата;D4 – внутренний диаметр резервуара криостата; D5 – внутренний диаметрхвостовика; L5 – длина внешнего хвостовика; L3 – расстояние «тепло –холод».Во всех типах стеклопластиковых криостатов используется вакуумирование77полости между внутренней и наружной колбами до давления ниже 0.1 ммртутного столба для уменьшения теплопритока непосредственно через оболочки.Перед окончательной склейкой криостата в заключенном между оболочкамиобъеме размещают один или несколько «жестких» тепловых экранов, и пакетэкранно-вакуумной термоизоляции (ЭВТИ) из 40 - 60 слоев также дляуменьшения радиационной составляющей теплопритока.
Откачку криостата донеобходимого давления производят через специальный вакуумный вентиль,вклеиваемый в наружную оболочку или верхний фланец криостата, с помощьюбезмасляных насосов.Криостат полностью безазотного типа комплектуется цилиндрической пробкой,состоящейиз несколькихсекций пенопласта, разделенныхдисками изфольгированного текстолита с фланцем для крепления измерительных зондовмагнитометрической СКВИД-системы, с заливным патрубком для заправкикриостата хладагентом и патрубком для отвода газа.2.2.2 Практические конструкции стеклопластиковых гелиевых криостатов длябиомагнитных СКВИД-системПри проектировании и создании биомагнитных систем для медицинскихприменений были осуществлены разработки криостатов обоих типов, имевшихразличные геометрические размеры и рабочий объем для хладагента взависимости от практического назначения разрабатываемой СКВИД-системы.
Вчастности, для магнитокардиографических имагнитоэнцефалографическихСКВИД-систем с числом каналов от 10 до 22 были разработаны и созданыстеклопластиковые криостаты объемом от 5 до 15 литров. Были такжеразработаны «шахтные» криостаты и большего объема – до 32 литров сдиаметром горловины порядка 300 мм. Выбор такого объема криостатов былобусловлен основным эксплуатационным требованием к ним со сторонымедицинских клиник - было необходимо обеспечить время между дозаправками78криостатов жидким гелием более одной недели. Основные характеристикинекоторых образцов криостатов обоих типов приведены в Таблице 1.Таблица 1.Основные характеристики стеклопластиковых криостатовСерийный №и моделькриостатаОбъемØ⁄Lкриоста- внешнейколбыта(литр)(мм)Ø вн..⁄ L Ø вн.
⁄ Lгорлови- хвостовиныка внутр.(мм)(мм)Ø вн9. ⁄ L Размерхвостови тепло –ка внеш. холод(мм)(мм)Скоростьиспарениягелия(литр ⁄сутки)Серия NTE010LH-11,5-NTE11,5230/73090/26090/255125/2149⁄111,3032LH-12,0-NTE12,0230/758121/380121/346180/21410,51,4036LH-1,2-NTE1,2106/50018/15018/20545/1505,00,6044LH-14,5-NTE14,5257/1100150/436150/232200/11410,81,4067LH-11,5-NTE11,5250/78080/34080/261115/224161,05075LH-4,8-NTE4,8250/40041/15041/24480/214101,35079LH-9,2-NTE9,2220/70060/20060/242100/214100,95080LH-7,5-NTE7,5250/49060/20560/18880/162101,05Серия B020LH-5,3-B5,3165/670122--101,6041LH-12,0-B12257/900190--301,45050LH-32-B32368/900300--242,511,3227/1000150--121,17,3257/700190--301,2072LH-9,5-B9,5227/900150--181,1078LH-32-B32368/900300--182,6056LH-11,3-B064LH-7,3-B79В разработанных криостатах обоих типов была реализована полностьюбезазотная схема. Для улучшения теплоизоляционных свойств в криостатах дляМКГ и МЭГ (равно, как и других криостатах для жидкого гелия) былаиспользована схема с двумя жесткими тепловыми экранами и двумя пакетамиЭВТИ.
В криостатах тепловые экраны закреплялись на дренажной горловине, ибыли изготовлены в виде тонкостенных стеклопластиковых оболочек, в которыевмонтированы фрагменты из тонкой алюминиевой проволоки. Для повышениямагнитнойпрозрачностииснижениясобственныхмагнитныхшумовметаллизированный слой экранов ЭВТИ также был разделен на отдельные ячейкис размерами не более 5 мм. По предварительным оценкам и исходя изимеющегося практического опыта, расчетная скорость испарения гелия прииспользовании подобной схемы криостата не должна была превысить величины~1,6 литров/сутки, а величина собственных магнитных шумов – величины 5×10-15Тл.
Последующие практические испытания криостатов по определению скоростииспарения гелия и уровням собственных магнитных шумов созданных криостатовподтвердили эти оценки.По этой технологии было изготовлено более 100 различных криостатов, причемпримерно половина из них была предназначена для биомагнитных СКВИДсистем [103].2.2.3 Гелиевые криостаты для МЭГ- и МКГ-примененийНа рисунке 2.7 представлена фотография универсального стеклопластиковогокриостата с хвостовиком, который был предназначен для использования вмагнитокардиографических, магнитоэнцефалографических системах и системахмагниторезонансной томографии в слабых магнитных полях с числом каналоврегистрации биомагнитных сигналов от 7 до 19.80Таблица 2.Основные характеристики криостата моделиLH-14,5-NTEL1- длина термостата (мм)1100D1- внешний диаметр термостата (мм)237D3-диаметр горловины (мм)150D4-диаметр внутренней колбы (мм)180D5-диаметр внутреннего хвостовика (мм) 150D2- внешний диаметр хвостовика (мм)204L2- внешняя длина хвостовика (мм)100Скорость испарения (литр/сутки)Объем термостата (литр)< 1,614.5Уровень собственных шумов (фТл/Гц1/2) < 3Расстояние «тепло-холод» (мм)~ 10,5Рисунок 2.7 – Гелиевый криостат модели LH-14,5-NTE с горловиной и внешнимхвостовиком, и его характеристики (Таблица 2)Таким криостатом в 2006 году была укомплектована СКВИД-система,разработанная и созданная в Los Alamos National Laboratory, Applied ModernPhysics Group, USA, для комбинированного исследования вызванных ответовмозга человека и проведения его магнитнорезонансной томографии в слабыхмагнитных полях [104].
В частности, условиях магнитоэкранированной комнаты спомощью семиканальной СКВИД-системы был измерен уровень собственныхшумов криостата. Шумовые спектры выходных сигналов градиентометрическихканалов представлены на рисунке 2.8.81Рисунок 2.8 – Шумовые спектры выходных сигналов СКВИД-градиентометровсемиканальной биомагнитной системы в криостате модели LH-14,5-NTE,измеренные в условиях магнитноэкранированной камеры [104]На приведенном графике видно, что центральный канал демонстрировалуровень шума порядка 1,5 фТл/Гц1/2 на частотах в несколько сотен Герц, а каналы,расположенные ближе к стенкам внутренней колбы – уровень шума порядка 2.8фТл/Гц1/2.
При этом использованные СКВИД-градиентометры размещались вузлах гексагональной сетки плюс один в центре, имели размеры приемных петель,равные 37 мм, величину базы 60 мм и уровень собственных шумов,эквивалентный 0.4 фТл/Гц1/2, т.е. существенно ниже уровня шума криостата.Разница значений спектральной плотности шума центрального канала и внешнихканалов дала основания полагать, что дополнительный шум обусловлен влиянием«жестких» тепловых экранов, расположенных между оболочками криостата.
Ихотя значение 2.8 фТл/Гц1/2 для большинства биомагнитных применений является82вполне достаточным, для применения в магниторезонансной томографиитребуются еще более низкие уровни собственных шумов.Для решения этой задачи конструкция «жестких» экранов была изменена, ипо заказу той же Los Alamos National Laboratory (LANL) в 2007 году былоспроектировано и изготовлено два криостата «шахтного» типа (модель LH-32-В) сулучшенными характеристиками (рисунок 2.9).Данная модель криостата продемонстрировала исключительно высокиезначения параметров по ресурсу работы между дозаправками жидким гелием иуровню собственных шумов. При диаметре горловины 300 мм криостат имелскорость испарения жидкого гелия менее 2,5 литров в сутки (Таблица 3). Егошумовые характеристики также были измерены сотрудниками LANL сиспользованиемсверхвысокочувствительныхСКВИД-градиентометроввусловиях магнитоэкранированной комнаты и на частотах несколько сотен Герцимели величину порядка 0,5 фТл/Гц1/2 [105].Таблица 3.Основные характеристики криостата моделиLH-32-ВL1- длина термостата (мм)900D1- внешний диаметр термостата (мм)368D3-диаметр горловины (мм)300D4-диаметр внутренней колбы (мм)300Скорость испарения (литр/сутки)Объем термостата (литр)~ 2,532Уровень собственных шумов (фТл/Гц1/2) < 1Расстояние «тепло-холод» (мм)~ 22Рисунок 2.9 – Гелиевый криостат модели LH-32-B и его характеристики(Таблица 3)83Спектр выходного шума градиентометрического канала, работавшего вкриостате, представлен на рисунке 2.10.Полученные значения по скорости испарения гелия и уровни собственныхшумов являются абсолютно лучшими в мире для подобных криостатов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
