超导磁体低温循环实验

实验背景

超导材料需冷却至临界温度（如铌钛合金约 9K，钇钡铜氧超导材料约 90K）以下才能呈现超导态，此时电流通过超导磁体时几乎无能量损耗，可产生强磁场（如核磁共振成像仪需 3-10T 磁场）。

低温循环实验的目的是为超导磁体构建并维持稳定的低温环境，避免因温度波动导致超导态失效（即 “失超”），同时降低液氦等低温介质的消耗成本。

实验原理

利用低温制冷技术（如氦制冷机、液氦浸泡）将超导磁体冷却至临界温度以下，通过闭环循环系统实现低温介质的重复利用。

其原理基于热力学定律：通过压缩机对氦气等工质加压升温，经冷却器散热后降压膨胀，工质吸热降温，再通过换热器与超导磁体进行热交换，带走磁体运行时产生的热量（如漏热、电流引线发热），维持磁体温度稳定。

实验系统构成

超导磁体本体

由超导线圈（如 NbTi 或 Nb₃Sn 线材绕制）、支撑结构和磁体骨架组成，线圈需缠绕在低温容器（杜瓦）内，避免与外界热交换。

低温制冷系统

制冷机：常用 G-M 制冷机或脉冲管制冷机，通过活塞往复运动实现氦气的压缩 - 膨胀循环，产生低温（最低可达 4.2K）。

液氦杜瓦：双层真空绝热容器，内层储存液氦（沸点 4.2K），磁体浸泡其中或通过导热部件与液氦接触，利用液氦蒸发吸热维持低温。

低温循环回路

由低温管道、阀门、换热器、流量计等组成，氦气经制冷机降温后，通过管道输送至磁体附近的换热器，吸收磁体热量后返回制冷机重新冷却，形成闭环循环。

温度控制系统

采用铂电阻、硅二极管等温度传感器监测磁体温度，通过 PID 控制器调节制冷机功率或液氦流量，将温度波动控制在 ±0.1K 以内。

实验操作流程

系统预冷

向杜瓦内注入液氮（沸点 77K）进行预冷，降低杜瓦壁温，减少后续液氦蒸发损耗；随后注入液氦，逐步将磁体温度从室温降至 4.2K 左右。

启动制冷机

开启氦制冷机，调节压缩机频率和膨胀机参数，使制冷机进入稳定运行状态，产生低温氦气并注入循环回路。

磁体励磁与低温维持

通过电流引线对超导磁体缓慢励磁（通电），建立目标磁场（如 1.5T）；同时监测温度传感器数据，若磁体温度升高，增加制冷机冷量输出或补充液氦，确保温度稳定。

循环性能测试

记录制冷机功耗、液氦蒸发率、磁体温度波动等参数，评估低温循环系统的效率（如每瓦冷量的能耗），优化循环参数（如氦气流量、压力）。

退磁与系统关闭

实验结束后，通过卸荷电阻缓慢降低磁体电流至零（退磁），避免因电流突变产生强感应电动势；关闭制冷机，停止低温循环，必要时回收未蒸发的液氦。

注意事项

低温防护：液氦温度极低（4.2K），接触皮肤会导致严重冻伤，操作时需佩戴绝热手套，杜瓦表面需标识 “低温危险”；杜瓦真空层若失效，外壁会凝结霜层，需立即检查维修。

失超保护：超导磁体失超时，线圈电阻骤增，电流转化为热能可能损坏磁体，需设置失超保护电路（如泄放电阻），并在实验中实时监测磁体电压，一旦发现失超信号立即切断电源。

氦气安全：氦气无色无味且密度低，若杜瓦或管道泄漏，氦气会在实验室顶部聚集，导致氧气浓度降低（窒息风险），需安装氦气泄漏报警器，实验场所保持良好通风。

振动控制：制冷机运行时产生的机械振动可能影响磁体稳定性（如核磁共振实验对磁场均匀性要求极高），需在制冷机与磁体之间安装减振支架，或选用无振动的脉冲管制冷机。

延伸应用

低温循环技术不仅用于超导磁体，还广泛应用于粒子加速器（如欧洲核子中心 LHC 的超导磁体）、量子计算（超导量子比特需 10mK 以下低温）、超导电机等领域。

随着高温超导材料的发展（如铋系超导带材临界温度 110K），基于液氮（77K）的低温循环系统因成本更低，正逐步替代传统液氦系统，成为未来超导应用的重要发展方向。