Склопластиковий кріостат для сквід-магнітометрії

Реферат: Склопластиковий кріостат для СКВІД-магнітометрії включає дві ємності, зовнішню та внутрішню, що мають, як правило, циліндричну форму, у проміжку між двома ємностями розміщено радіаційні екрани та екранно-вакуумну ізоляцію, внутрішня ємність включає гелієвий бак, фланець, горловину та хвостовик, зовнішня ємність герметично кріпиться до фланця і має більший розмір ніж внутрішня, у дні хвостовика зовнішньої ємності виконано заглиблення, кількість яких і рівна кількості вимірювальних каналів, усі елементи внутрішньої та зовнішньої ємностей виготовляють з композитних матеріалів, на основі в'яжучого та скляних, вуглецевих чи мінеральних волокон. Внутрішню ємність виконують з окремими хвостовиками, кількість та UA 82183 U (12) UA 82183 U розмір яких відповідає кількості та розміру вимірювальних каналів, зовнішню ємність виконують з ергономічним хвостовиком з округлими формами так, що він плавно переходить у циліндричний корпус зовнішньої ємності, нижні кінці внутрішніх хвостовиків вставляють у відповідні заглиблення в дні зовнішньої ємності. UA 82183 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі надчутливої магнітометрії, більш конкретно, він стосується засобів охолодження Надпровідникових Квантових Інтерференційних Детекторів (СКВІДів), у першу чергу, для реєстрації магнітних полів біологічних об'єктів - біомагнітометрії. У корисній моделі розкрито конструкцію спеціального гелієвого кріостата для проведення біомагнітних вимірювань за допомогою СКВІД-магнітометричної апаратури. Один із сучасних напрямів біомедичних технологій, біомагнетизм, ґрунтується на вимірюванні слабких магнітних полів, генерованих організмом людини в процесі його життєдіяльності. Амплітуда полів, створених електричною активністю серця поблизу грудної клітки людини становить біля 1-10 пікоТл, а рівень шуму сучасних СКВІД-магнітометрів становить декілька фемтоТл в одиничній смузі частот. Сучасні МКГ системи містять 4-50 СКВІД-каналів і потребують для роботи спеціальних склопластикових кріостатів з об'ємом гелієвої ємності 10-40 літрів; відстанню від приймальних витків антен СКВІДів до зовнішньої поверхні (дна) - декілька сантиметрів; втратами рідкого 1/2 гелію - декілька літрів на добу і власним шумом кріостата не більше 5 фТл/Гц на частотах 1100 Гц. Вдосконалення конструкцій кріостатів йде в таких напрямках: 1) підвищення чутливості магнітних вимірювань: а) зменшення власного шуму кріостата; б) екранування зовнішніх електромагнітних перешкод вимірюванням; в) зменшення відстані від антен до поверхні тіла людини; 2) підвищення ефективності охолодження та зменшення втрат гелію: а) вдосконалення теплової ізоляції; б) зменшення проникнення гелію у вакуумну порожнину; в) підвищення жорсткості та довговічності конструкції. Для біомагнітних гелієвих кріостатів мінімум власних шумів досягається при використанні як конструкційного матеріалу композитного пластику, спеціальної багатошарової екранновакуумної теплоізоляції (ЕВТІ, суперізоляції) з кількома тепловими екранами. Для екранування зовнішніх перешкод відомо склопластиковий кріостат для біомагнітних вимірювань US 2011/00411520 [F25B19/00, В23Р15/26, G01R33/02, Cryostat and biomagnetic [measuring system having a high-frequency shielding, S.N. Erne, H. Nowak, BMDSYS GmbH, 2011], який складається не менш ніж з одної внутрішньої посудини, зовнішньої посудини та порожнини між ними, у якій створюють розрідження та розміщують не менш ніж один електромагнітний екран для послаблення завад всередині внутрішньої посудини кріостата не менш ніж на 5 дБ у смузі частот 100 кГц - 1 ГГц. Кріостат включає не менш ніж одну клему заземлення, розташовану зовні та провід, що з'єднує зазначені екрани з електричним заземленням чи Землею. Модифікації конструкції згідно з US 2011/0041520 включають не менш ніж 2 з'єднані резистором чи ємністю екрани з металевої фольги, зробленої з алюмінію, міді, срібла чи золота; застосовують фольгу товщиною в діапазоні 5-500 мкм, 10-100 мкм чи біля 70 мкм; або із самоклеючої металевої стрічки. Інші модифікації кріостата згідно з US 2011/0041520 включають не менш ніж один шар суперізоляції, розміщений в порожнині для екранування теплового випромінювання; зазначений шар виконують по меншій мірі з одної пластикової фольги; не менш ніж одну фольгу виготовляють з поліетилену, зазначений шар суперізоляції по меншій мірі з одного боку містить металічне покриття. Також запропоновано конструкцію, в якій багато шарів суперізоляції та електромагнітних екранів розміщують в порожнині впереміжку. Також у US 2011/0041520 розкрито спосіб виготовлення кріостата, згідно з яким навколо внутрішньої посудини якнайменш частково намотують електромагнітний екран, виготовляють зовнішню посудину, в якій улаштовують електричне заземлення через клапан для відкачування повітря, з'єднують обидві посудини, між ними утворюється порожнина, в якій опиняється зазначений екран, з'єднують клему заземлення та екрани електричним провідником. Проте, загальним недоліком таких екранів є наявність металу у безпосередній близькості від приймального витка градієнтометра, що генерує шум Найквіста, шуми від градієнту температури та перевипромінення зовнішніх коливань. Основний вклад в шум кріостата вносить тепловий екран та ЕВТІ, розташовані у вакуумному проміжку біля дна склопластикового кріостата. В роботі [N. Kasai, K. Sasaki, S. Kikyu, Y. Suzuki, Thermal magnetic noise of Dewars for biomagnetic measurements, Cryogenics, 1993, Vol. 33, № 2, p. 175-179] показано, що при використанні металевих екранів шум Найквіста пропорційний об'єму металу. Тому для 1/2 зменшення шуму до рівня 1 фТл/Гц потрібно зменшити розміри металевих провідників (< 1 мм). 1 UA 82183 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Відомо теж спосіб виготовлення теплового екрана з діелектрика, де відсутні електрони провідності та названі типи електромагнітних перешкод [Liquid helium cryostat for SQUID-based MRI receiver, H. Seton, J. Hutchison, D. Bussell, Cryogenics, 2005, vol. 45, p. 348-355]. Проте такі екрани занадто вартісні та потребують додаткового устаткування для виготовлення. А при великій площі екранування та складній формі взагалі виготовити їх із суцільного матеріалу неможливо. Для зменшення шумів запропоновані конструкції екранів, що складаються із ізольованих один від одного металевих провідників малого перетину. Проте, при цьому ефективність теплового екрана різко падає і приплив тепла в кріостат збільшується. Цей негативний ефект (збільшення швидкості випаровування рідкого гелію) особливо сильно проявляється в кріостатах, призначених для багатоканальних біомагнітних вимірювань. Ці недоліки частково усунуто в конструкції [ЕР 2039980, F17C03/08, F17C13/00, F17C03/00, Cryostat with stabilized exterior vessel, H. Nowak, S. Erne, BMDSYS GmbH, 2009] кріостата для біомагнітних вимірювань, який складається не менш ніж з двох посудин - зовнішньої та внутрішньої, та не менш ніж одної вакуумної порожнини між ними, у якій створюють розрідження та у якій розміщують не менш ніж один електромагнітний екран для екранування кріостата від ЕМП не менш ніж 5 дБ у смузі частот 100 кГц - 1 ГГц. Кріостат включає не менш ніж одну клему заземлення, розташовану зовні кріостата та провід, що з'єднує зазначені екрани з електричним заземленням чи Землею. Проте практично усі композиційні (зокрема склопластики) матеріали мають великі коефіцієнти проникності газоподібного гелію, що призводить до швидкого погіршення вакууму у порожнині кріостата. Відомо, що проникність газоподібного гелію зменшується з пониженням температури, тому стінки кріостата майже не дають вкладу в дифузію газу у вакуумний об'єм, оскільки знаходяться при кріогенній температурі (Т = 4,2-5 К). Тому основна дифузія має місце через стінки горловини, температура яких лежить в діапазоні 5-300 К. Для вирішення цього завдання використовують різні методи зменшення пористості склопластикових матеріалів, наприклад - просочення і формування склопластику у вакуумі або використання спеціальних хімічних присадок для поліпшення адгезії між в'яжучим агентом і волокнами матриці. Проте згідно з дослідженнями авторів [Ляхно В.Ю. Склопластикові кріостати для СКВІД магнітометрії високого розрізнення: Дис...канд. техн. наук: 05.05.14 - Харків, 2012, 140 с] досягнутий ефект вказаних методів незначно покращує властивості кріостатів, якщо йдеться про використання рідкого гелію. Частково, ці недоліки усунуто в конструкціях: 1) UA 35675, F17C 3/00, Гелієвий кріостат для СКВІД-магнітометра, Іванько Ю., Іванько Д., Ісаков В., Омельченко К., Рябовол В., 2008. 2) UA a 2012 08862, F17C3/02, F16L59/04, F16L59/06, F16L59/08, G01R33/035, Склопластиковий кріостат для біомагнітних вимірювань та спосіб його виготовлення, В. Ляхно, М. Будник, В. Шнирков, 2012; У UA 35675 запропоновано посудину Дьюара, виготовлену зі склопластику, заповнену гелієм, всередині якої розміщений СКВІД-магнітометр, який відрізняється тим, що у стінці посудини вмонтовано шар матеріалу, який являє собою полімерний композиційний матеріал, що містить як наповнювач плоскоподібне скляне волокно з можливістю створення звивистості шляху дифузії гелію. Це волокно виготовляють з відношенням ширини до товщини не менш ніж 50, що дозволяє, при відношенні 100-120 досягти 25-кратного зменшення дифузії порівняно з волокнистим композитом. У заявці UA a 2012 08862 розкрито склопластиковий кріостат для біомагнітних вимірювань, призначений для охолодження надпровідних СКВІД-магнітометрів до кріогенних температур, який включає гелієвий бак, оточений тепловим радіаційним екраном та ЕВТІ і вміщений у зовнішній циліндричний корпус, кріостат закритий зверху фланцем, ЕВТІ заповнює вакуумну порожнину між баком та корпусом, всі конструктивні елементи, крім екрана, виконані зі склопластиків для проникнення магнітного поля всередину кріостата, частину елементів конструкції виготовляють відомими способами, у тому числі верхню металічну частину екрана, корпус та гелієвий бак - намотуванням композиційним матеріалом зі скляними волокнами, фланець - зі склопластикових чи текстолітових плит. Кріостат відрізняється тим, що дно корпусу та бака виконано у вигляді профільованої поверхні, форма якої максимально наближена до форми голови людини, тепловий радіаційний екран виконують не менш ніж з 2-х частин, зазначені частини мають тепловий контакт між собою, нижню частину екрана поблизу СКВІДів виконують суцільною і товщиною не менше ніж 1 мм та виготовляють із діелектрика з високою фононною теплопровідністю, у якого відсутня 2 UA 82183 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 електронна теплопровідність, напр. сапфіру, верхню частину горловини, розташовану біля фланця, виконують комбінованої структури, в якій внутрішні шари виготовляють із композиційного скловолокнистого матеріалу за стандартною технологію намотування, а у зовнішні шари додатково вмотують шари зі скляної стрічки. У модифікаціях UA а 2012 08862 нижню частину теплового екрана виготовляють з іншого діелектрика, наприклад германію чи полікору (полікристалічного корунду), верхню частину горловини виготовляють з додаванням полімерної стрічки, яку модифікують шляхом покриття тонкою алюмінієвою плівкою з товщиною не більше 0,2 мкм. Проте, основним недоліком таких конструкцій є недостатня механічна жорсткість СКВІДмагнітометричної апаратури, підвішеної до кришки, яка ніяк знизу не кріпиться, тому мають місце паразитні механічні вібрації, які спричиняють похибки при вимірюваннях. Цей недолік вирішений за рахунок профільованого дна внутрішньої посудини в нещодавно розкритих конструкціях кріостатів: 1) ЕР 2039979, F17C01/16, F17C03/08, F17C13/00, F17C01/00, F17C03/00, Cryostat with reinforced inner vessel, H, Nowak, S. Erne, BMDSYS GmbH, 2009. 2) RU 2457502, G01R33/035, Приемный элемент СКВИД-магнітометра, Масленников Ю., Слободчиков В., ООО НПО КРИОТОН, 2012. Кріостат згідно з ЕР 2039979 складається не менш ніж з двох посудин - зовнішньої та внутрішньої, та вакуумної порожнини між ними, у якому дно внутрішньої посудини кріплять до корпусу за допомогою спеціального анізотропного склопластику, склопластики виготовляють на основі скляних, вуглецевих чи мінеральних волокон, у дні внутрішньої посудини роблять заглиблення для фіксації сенсорів. За прототип вибрано винахід RU 2457502, згідно з п.2 якого кріостат відрізняється тим, що має внутрішню та зовнішню вакуумно-щільні оболонки із склотекстоліту, між якими розміщені теплові екрани та багатошарова термоізоляція, при цьому на донній поверхні внутрішньої оболонки виконані лунки для фіксації в них кінців каркасів вимірювальних модулів СКВІДмагнітометра, розміщених на підвісі на регулярній гратці, а їх кількість складає 2, 3, 4, 6, 9, 18, 36. Недоліком є те, що оболонки виготовлені із склотекстоліту, а не із склопластику, лунки розміщують лише на регулярній гратці, а нерегулярне розміщення не передбачено, а також є певна фіксована, а не довільна, кількість лунок. Загальним недоліком сучасного рівня є низька механічна міцність конструкції кріостата, бо внутрішня посудина ніяк не закріплена знизу, а висить на верхньому фланці, тому сам кріостат може мати механічні вібрації, що не забезпечує достатньої міцності, наприклад при транспортуванні кріостата, а також вносить похибки при вимірюваннях. В основу корисної моделі поставлено задачу створення склопластикового кріостата для охолодження СКВІДмагнітометрів до температури рідкого гелію Т = 4,2 К, який матиме одночасно високу міцність, низьку швидкість випаровування гелію, малу відстань «антена-об'єкт вимірювання» та низький рівень власних шумів. Поставлена задача у склопластиковому кріостаті для СКВІД-магнітометрії, який включає: дві ємності, зовнішню та внутрішню, що мають, як правило, циліндричну форму, у проміжку між двома ємностями розміщено радіаційні екрани та екранно-вакуумну ізоляцію, внутрішня ємність включає гелієвий бак, фланець, горловину та хвостовик, зовнішня ємність герметично кріпиться до фланця і має більший розмір ніж внутрішня, у дні хвостовика зовнішньої ємності виконано заглиблення, кількість яких рівна кількості вимірювальних каналів, усі елементи внутрішньої та зовнішньої ємностей виготовляють з композитних матеріалів, на основі в'яжучого та скляних, вуглецевих чи мінеральних волокон, досягається шляхом нових конструктивних рішень, а саме: - внутрішню ємність виконують з окремими хвостовиками, кількість та розмір яких відповідає кількості та розміру вимірювальних каналів, - зовнішню ємність виконують з ергономічним хвостовиком з округлими формами так, що він плавно переходить у циліндричний корпус зовнішньої ємності, - нижні кінці внутрішніх хвостовиків вставляють у відповідні заглиблення в дні зовнішньої ємності, - горловину виготовляють зі спеціального склопластикового композиційного матеріалу з низьким коефіцієнтом газової дифузії гелію у вакуумну порожнину, - горловину покривають плівкою з титану, вірмуту, чи іншого металу з пониженою теплопровідністю. Новизна пропонованої конструкції полягає у наступному: 3 UA 82183 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 1. Внутрішня ємність кріостата має циліндричні хвостовики, кількість яких відповідає числу вимірювальних каналів, при цьому сумарна площа дна хвостовиків у 4 рази менша площі суцільного хвостовика. 2. Зовнішня ємність кріостата має ергономічний хвостовик з плавними формами, що закриває циліндричні хвостовики внутрішньої ємності. 3. Виготовлення горловини зі спеціального склопластикового композитного матеріалу з низьким коефіцієнтом дифузії гелію у газову порожнину. 4. Покриття зовнішньої поверхні горловини тонкою металічною плівкою з низькою теплопровідністю. Технічний результат: 1. Підвищення ресурсу роботи кріостата за рахунок зменшення площі хвостової частини внутрішньої ємності кріостата внаслідок чого зменшується швидкість випаровування рідкого гелію. 2. Зменшення об'єму рідкого гелію у хвостовику внутрішньої ємності кріостата. 3. Підвищення жорсткості та механічної міцності кріостата. Короткий опис ілюстрацій: Креслення - Розріз кріостата згідно з корисною моделлю: 1 - верхній теплий фланець, 2 зовнішній корпус, 3 - хвостовик з профільованим дном, 4 - внутрішній гелієвий бак, 5 - кришка гелієвого бака, 6 - дно гелієвого бака, 7 - горловина, 8 - хвостовики внутрішньої посудини, 9 заглиблення у донній частині кріостата, 10 - кришка кріостата. В основній реалізації запропонована конструкція пояснюється і детально розкривається за допомогою креслення, де наведено вертикальний розріз кріостата збоку. Кріостат має циліндричну форму і включає такі основні частини: фланець 1, склопластиковий корпус 2, хвостовик з профільованим дном 3, внутрішній гелієвий бак 4, горловина 7 та внутрішні хвостовики 8. Фланець 1 скріплює обидві посудини, до зовнішнього корпусу 2 знизу кріплять хвостовик з профільованим дном 3. Гелієвий бак утворений трубою, до якої кріпляться кришка бака 5 та дно бака 6. У кришці бака 6 зроблено отвір для кріплення горловини 7, а у дні бака 6 - 9 внутрішніх хвостовиків 8, розміщених на регулярній гратці 3×3. Хвостовики вставляють у відповідні заглиблення 9 у дні кріостата. Таким чином, кожен СКВІД-магнітометр фіксується відповідним внутрішнім хвостовиком, який, у свою чергу, вставляється у заглиблення на дні кріостата. Кришка 10 закриває горловину, кріпиться до фланця латунними гвинтами та ущільнюється гумовим кільцем. Всі інші кріплення елементів конструкції виконають клейовими з'єднаннями на основі спеціальної клейової композиції, наприклад, з компонент СЕДМ-6, Л-20, та нітридом бору, чи іншого типу. Горловину 7 виготовляють зі спеціального склопластикового композиційного матеріалу з низьким коефіцієнтом дифузії гелію у вакуумну порожнину. Крім того, горловину зовні покривають плівкою з титану товщиною 10 мікрон, яка має низьку теплопровідність. Ці рішення забезпечують зменшення випаровування рідкого гелію. Всі інші конструкційні матеріали, склопластикові труби та інші елементи конструкції, що не є предметом даної корисної моделі, не розкриті в описі основної реалізації, виготовляються відомими з рівня техніки способами. Вакуумний вентиль та клапан для відкачування, теплові екрани та ЕВТІ, елементи для заливки рідкого гелію, газовідведення, запобіжні клапани, інші допоміжні елементи, які не є предметом даної корисної моделі, для спрощення на кресл. не наведено. Отже, відмінна ознака конструкції полягає в тому, що в результаті забезпечується підвищення міцності конструкції кріостата, зменшення похибок вимірювань та підвищення ресурсу роботи. Основні параметри кріостата: Відстань від антени до нижньої поверхні дна - 10 мм; Точність розмірів - не більше 1 мм. Ресурс роботи (без магнітометрів) - не менше 8 діб Число СКВІД-каналів - 9, Розташування каналів - у вузлах ґратки 3×3 з кроком 4 см. Власні шуми на частоті 1 Гц в області антенн СКВІДів - не більше 5 фТл в одиничній смузі частот. Ресурс роботи між відкачками вакууму - не менше 6 місяців; Вага - 20 кг. В основній реалізації діаметр кріостата 300 мм, висота 1090 мм. Ємність гелієвого бака 15 л забезпечує ресурс роботи без СКВІД-магнітометрів не менше 8 діб, зі СКВІД-магнітометрами 4 UA 82183 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 не менше 5 діб. Проте корисна модель цим не обмежена. В інших реалізаціях розміри та об’єм гелієвої ємності можуть бути інші залежно від кількості СКВІД-магнітометричних каналів та потрібного ресурсу роботи. В основній реалізації хвостовики та відповідні заглиблення у дні розташовані у вузлах ґратки 3×3 з кроком 4 см. Але корисна модель цим не обмежена, в інших реалізаціях застосовують інше розташування хвостовиків, відстань між ними та їх діаметр, у тому числі нерівномірне розташування, тобто нерегулярна гратка. В основній реалізації застосовано 9 хвостовиків та заглиблень, але корисна модель цим не обмежена, в інших реалізаціях застосовують довільну кількість хвостовиків та заглиблень, в тому числі відмінну від кількості згідно з прототипом, тобто іншу, ніж 2, 3, 4, 6, 9, 18 чи 36. В основній реалізації кріостат застосовують в магнітокардіографічних (МКГ) системах. При цьому відстань від антени магнітометра до нижньої поверхні дна кріостата рівна 10 мм. Це забезпечує чутливість СКВІД-магнітометрів, достатню для реєстрації МКГ сигналу. Проте, корисна модель цим не обмежена, в інших реалізаціях кріостат може застосовуватися для будь-яких інших магнітних вимірювань. При цьому розміри елементів та інші параметри кріостата розраховують на основі вимог кожного конкретного виду вимірювань. Галузь застосування кріостата - надчутлива магнітометрія, наукові експерименти, у тому числі біомедичні застосування, наприклад, для вивчення організму людини чи для нових методів медичної діагностики. Пропонований кріостат промислово придатний і може бути легко запущений у виробництво, оскільки він виготовляється із промислово освоєних матеріалів (склотканина, епоксидна смола, затверджувач, склотекстоліт, пластики, клеї, пінопласт, ПВХ та металізована плівка, сорбенти, сітки та інше) і на основі існуючих виробничих технологій. Конкретна реалізація пристрою детально описана з метою ілюстрації. Зрозуміло, що люди, досвідчені в галузі кріогенної техніки та надчутливих магнітних вимірювань, можуть внести деякі зміни чи модифікації в пропоновану конструкцію кріостата. Проте, якщо зазначені зміни та модифікації зроблені без суттєвих відхилень від суті даної корисної моделі, вони підпадають під її дію. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Склопластиковий кріостат для СКВІД-магнітометрії, який включає дві ємності, зовнішню та внутрішню, що мають, як правило, циліндричну форму, у проміжку між двома ємностями розміщено радіаційні екрани та екранно-вакуумну ізоляцію, внутрішня ємність включає гелієвий бак, фланець, горловину та хвостовик, зовнішня ємність герметично кріпиться до фланця і має більший розмір ніж внутрішня, у дні хвостовика зовнішньої ємності виконано заглиблення, кількість яких і рівна кількості вимірювальних каналів, усі елементи внутрішньої та зовнішньої ємностей виготовляють з композитних матеріалів, на основі в'яжучого та скляних, вуглецевих чи мінеральних волокон, який відрізняється тим, що внутрішню ємність виконують з окремими хвостовиками, кількість та розмір яких відповідає кількості та розміру вимірювальних каналів, зовнішню ємність виконують з ергономічним хвостовиком з округлими формами так, що він плавно переходить у циліндричний корпус зовнішньої ємності, нижні кінці внутрішніх хвостовиків вставляють у відповідні заглиблення в дні зовнішньої ємності, горловину кріостата виготовляють зі склопластикового композитного матеріалу з низьким коефіцієнтом дифузії гелію, зовнішню поверхню горловини покривають плівкою титану, вісмуту чи іншого металу з низькою теплопровідністю. 5 UA 82183 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6