專利名稱：低溫保持器組件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種低溫保持器(cryostat)組件，用于例如將超導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)和動態(tài)核偏振(DNP)。
背景技術：
在使用這種低溫保持器組件的典型實驗中，典型地冷卻超導磁體，需要探測由檢測樣品發(fā)出的相對微弱的信號。重要的是要消除大量噪音信號以便能夠清晰地探測到檢測信號。過去曾發(fā)生的一個問題是，用作低溫保持器組件一個部件的機械冷卻器會導致機械振動，其會通過器壁傳遞到低溫保持器組件的其余部分。為了避免這個問題，人們引入了隔離器件例如風箱(bellows)。這種已知系統(tǒng)的實例在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。例如，圖1示出了從具有脈沖管致冷機的牛津儀器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(lock-in proton signal)產(chǎn)生的，最終的峰代表在NMR測量中見到的噪音。可以看出，在1-2Hz附近存在顯著的噪音效應。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，低溫保持器組件包括一個液體冷卻劑容器；一個機械冷卻器，其位于容器上方并具有至少一個冷卻級(stage)；一個在使用時用于將氣體冷卻劑從容器輸送到冷卻級的通道，其中冷卻劑在冷卻級冷凝，然后通過該通道返回容器；和一個聲波衰減器，其位于通道內(nèi)，用于衰減從機械冷卻器產(chǎn)生的并通過氣體冷卻劑傳播的聲能的傳遞，同時允許氣體冷卻劑流動到冷卻級，并允許冷凝的冷卻劑回流到容器。
我們認識到，所觀察到的噪音效應并不是由于通過低溫保持器器壁傳播的機械振動，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，而這是由以大約1Hz的頻率振動的機械冷卻器觸發(fā)的。
為了解決這個問題，我們在用于將氣體冷卻劑從容器輸送到冷卻級并將液體冷卻劑返回到容器的通道內(nèi)插入了一個聲波衰減器。然而，需要仔細地考慮該衰減器的精確性質(zhì)，以便不會不當?shù)赜绊憵怏w和液體冷卻劑的流動。實際上，該最佳參數(shù)需要經(jīng)驗地確定。
典型地，聲波衰減器包括一個具有至少一個通道的元件，該通道的直徑小于聲波在氣體中的波長。然而優(yōu)選地，該衰減器包括許多個這樣的通道，且通道的直徑應當比聲波在冷卻劑氣體，例如氦氣，中的波長小多個數(shù)量級，以便使聲音以高振幅衰減擴散傳播。
通道可以呈直線形，并且布置成規(guī)則或不規(guī)則的陣列，當然也能夠想象非直線的通道。
我們認識到，除了阻止施加在氣體體積上的聲音振動的傳播之外，聲波衰減器還具有另一個重要的功能。這就是，在除去“冷頭”(coldhead)期間，它能夠阻止冷卻劑氣體的流動，從而使蒸發(fā)的氣體通過另一個對蒸發(fā)(boil-off)具有最小抵抗的通風路徑進行傳播。
優(yōu)選地，聲波衰減器具有低熱傳導系數(shù)，盡管這并不是必需的。
機械冷卻器的實例包括一個低溫冷卻器，例如脈沖管致冷機、Gifford-McMahon致冷機、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實例，其中圖1示出了從先前技術組件獲得的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)明的實例進行修改并插入了一個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實例的示意圖；圖4A-4C分別是根據(jù)本發(fā)明的聲波衰減器插塞的一個實例的透視圖、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，該組件包括一個環(huán)形液氦容器1，其圍繞軸線2布置并限定了一個鉆孔(未顯示)。實際上，容器1被圍以多個熱屏蔽裝置，并可能有其它的冷卻劑容器，但是簡單起見，圖中只顯示了單一的50K熱屏蔽裝置3。
容器1內(nèi)有一個環(huán)形超導磁體4，并且也圍繞軸線2。
容器1的上壁具有一個孔徑5。該孔徑5與腔體6或轉(zhuǎn)塔(turret)7相連，其中腔體6具有一個向外延伸的管子，轉(zhuǎn)塔7內(nèi)設置了兩級脈沖管致冷機(PTR)9的第二級8。典型地，腔體6的壁的一部分形成一個風箱，限制振動的傳播。
在使用中，到達容器1的熱量導致液氦沸騰，氦氣通過孔徑5傳播到腔體6，在那里它冷凝在PTR9的第二級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的機械振動不僅使低溫保持器組件的器壁振動，還導致聲波通過腔體6內(nèi)的氦氣傳播回容器1，從而導致從鉆孔內(nèi)的樣品獲得的NMR信號中出現(xiàn)噪音。
為了解決這個問題，用一個聲波衰減器插塞10填塞其中一個孔徑5。
圖4更詳細地顯示了這種插塞10的一個實例。從圖4A可以看出，插塞包括一個圓柱形體部分20，在其上端具有一對橫向向外延伸的半圓形凸緣22，24。凸緣22、24之間形成一個縫隙23，用于排出液氦。
插塞10用低熱傳導率的材料制成，例如PTFE、不銹鋼、G-10、泡沫、塑料、FRP或陶瓷。
在本實例中使用G-10，并且插塞具有一個由25個孔26構成的規(guī)則陣列，每一個孔的直徑為2.5mm，并沿著體20的長度呈直線形延伸。這從圖4C中能夠最清晰地看出，需要注意，每個通道26的長度為32mm。這些直徑應當與聲音在低溫氦中的波長相比擬，該波長大約為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)在說明本發(fā)明的理論背景。
插塞10固定在空間5內(nèi)，通過該空間5，PTR9第二級上的冷凝器能夠看到氦容器1中的液氦。插塞10必須滿足兩個標準a)使氦氣中由PTR第二級產(chǎn)生的聲音振動與氦容器隔離，b)使蒸發(fā)的(boil off)氦氣能夠向上通過它，并使冷凝的液氦通過它回落到氦容器內(nèi)。
圖5顯示了插塞工作的示意圖。通路30連接兩個區(qū)域1和6。區(qū)域6能夠看作振動源，在本實例中是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)生的聲音振動的振幅，而A2和A3分別是通過插塞、氦罐攜載的聲音振動的振幅。Z1，Z2，Z3是各個位置的聲音阻抗，而A1r和A2r是反射聲音振動的振幅。l是插塞10的長度。我們認為，考慮Z3＝Z1。在本實例中，典型地有兩個面積變化，即從6到30，和從30到1。這些面積變化使聲音振動的振幅降低或衰減。
A1是振動在源處的振幅，其大小是最大的。插塞的目的是使最終到達氦罐的A3值最小化。為了實現(xiàn)它，應當通過增加阻抗Z1和Z2使A1r和A2r的數(shù)值最大化。
由聲學基本原理(A1r/A1)＝(1-Z2/Z1)/(1+Z2/Z1)對于1＞＞d(其中l(wèi)和d分別是插塞通道的長度和直徑)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是振動在給定介質(zhì)中的波長，R是通道半徑＝d/2。
因此，對于1＞＞d的情況，通過通道傳播的振幅直接依賴于插塞中通道的半徑，并且其應當盡可能地小，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，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，通道的直徑不能夠再進一步降低，因為它會對氣流的向上流動產(chǎn)生抵抗。對于流速v、密度p和摩擦系數(shù)F，跨長度為l、直徑為d的通道的壓力降Δp為Δp＝pFlv2/(2d)其顯示，如果直徑或長度增加，則壓力降會增加，導致對氣體流過通道產(chǎn)生抵抗。
這就需要對聲音插塞的直徑和長度進行優(yōu)化，以便使其在對聲音振動的傳播產(chǎn)生抵抗的同時，不會限制氦氣流過它。
本發(fā)明的效應能夠通過比較圖1和2看出來。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。
權利要求
1.一種低溫保持器組件，包括液體冷卻劑容器；機械冷卻器，其具有至少一個位于容器上方的冷卻級；通道，其用于將氣體冷卻劑從容器輸送到冷卻級，在此冷卻劑在使用時被冷凝，然后通過通道返回到容器；和聲波衰減器，其位于通道內(nèi)，用于衰減從機械冷卻器產(chǎn)生的并通過氣體冷卻劑傳播的聲音能量的傳遞，同時允許氣體冷卻劑流動到冷卻級，并允許冷凝的冷卻劑流回容器。
2.根據(jù)權利要求1的組件，其中聲波衰減器包括一個元件，該元件具有至少一個直徑小于聲波在氣體中的波長的通道。
3.根據(jù)權利要求2的組件，其中該通道或每個通道的直徑比聲波在氣體中的波長小幾個數(shù)量級。
4.根據(jù)權利要求3的組件，其中該直徑比聲波在氣體中的波長小大約5個數(shù)量級。
5.根據(jù)權利要求2-4中任何一個的組件，其中該通道或每個通道的直徑基本上為2.5mm。
6.根據(jù)權利要求2-5中任何一個的組件，其中該元件具有多個所述通道。
7.根據(jù)權利要求6的組件，其中該通道圍繞衰減器的中心軸基本上對稱地布置。
8.根據(jù)前述任何一個權利要求的組件，其中聲波衰減器是不導熱的。
9.根據(jù)前述任何一個權利要求的組件，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)前述任何一個權利要求的組件，其中機械冷卻器包括如下之一脈沖管致冷機、Gifford-McMahon致冷機、stirling冷卻器和Joule-Thomson冷卻器。
11.根據(jù)前述任何一個權利要求的組件，進一步包括一個待被冷卻的物件，該物件位于冷卻劑容器內(nèi)或與之熱連接。
12.根據(jù)權利要求11的組件，其中該物件包括超導磁體。
13.一種分析裝置，包括根據(jù)權利要求12的低溫保持器組件；和一個用于分析暴露于由超導磁體產(chǎn)生的磁場的樣品的系統(tǒng)。
14.根據(jù)權利要求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，包括一個液體冷卻劑容器(1)；一個機械冷卻器(9)，其位于容器上方并具有至少一個冷卻級；和一個通道(5)，其在使用時用于將氣體冷卻劑從容器輸送到冷卻級，使冷卻劑在冷卻級冷凝，然后通過該通道將之返回容器。通道(5)內(nèi)設置一個聲波衰減器(10)，用于衰減從機械冷卻器產(chǎn)生的并通過氣體冷卻劑傳播的聲音能量的傳遞，同時允許氣體冷卻劑流動到冷卻級，并使冷凝的冷卻劑流回容器。
文檔編號F25D19/00GK1808026SQ20051013813
公開日2006年7月26日 申請日期2005年12月22日 優(yōu)先權日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 申請人:牛津儀器超導有限公司