Для охлаждения экранов криостата томографа в основном используются гелиевые рефрижераторы, работающие по циклу Гиффорда - Мак- Магона или Гиффорда- Лонгсворта.

Гелиевый рефрижератор состоит из гелиевого компрессорного агрегата, «холодной головы» и линий высокого и низкого давлений, соединяющих компрессорный агрегат и «холодную голову».

«Холодная голова» состоит из двух ступеней. Первая ступень охлаждает первый экран до температур ниже 80К (минус 193 градуса Цельсия), а вторая ступень ниже 30К (минус 243 градуса Цельсия).

Существуют различные конструкции «холодных голов» используемых в магнитно-резонансных томографах со сверхпроводящей магнитной катушкой.


Описание работы гелиевого рефрижератора ( холодильной машины) Гиффорда - Мак-Магона (на примере одной ступени).


 

Схема ступени гелиевого рефрижератора (холодильной машины)Гиффорда - Мак-Магона.
1---цилиндр; 2--- вытеснитель (дисплейсер); 3--- регенератор; 4--- теплообменник; 5--- клапан впуска; 6--- клапан выпуска.

Особенностью цикла этого агрегата, выполненного в виде поршневой машины, является использование выхлопа из постоянного объема в качестве основного холодопроизводящего процесса. Расширение газа в поршневой машине сопровождается отдачей энергии в окружающую среду в виде тепла; выходящий поток газа имеет более высокую температуру, чем входящий в машину. В качестве рабочего газа используется газообразный гелий.

Основным элементом холодильной машины является поршень – вытеснитель. Машина имеет два рабочих объема V1 и V2 . Объемы соединены через регенератор 3 и изменяются при перемещении вытеснителя 2. Газ подается через клапан 5 и выпускается через клапан 6. У холодного объема V2 имеется теплообменник 4 для снятия тепловой нагрузки. Последовательность процессов в идеальном цикле представлена в Р – V диаграмме (см. следующий рисунок).

 

 

Рис. а — теплый объем V1;

Рис. б --- холодный объем V2 .

При заполнении газом (клапан 5 открыт) вытеснитель находится в нижнем положении (V2=0). Через открытый впускной клапан газ заполняет объем V1 и регенератор. Рост давления сопровождается повышением температуры. При открытом впускном клапане вытеснитель движется вверх, перемещая газ из объема V1 в объем V2. Газ, проходя регенератор, охлаждается и для поддержания постоянного давления из компрессорного агрегата подается добавочное количество газа. В конце впуска клапан закрывается. Затем открывается клапан выпуска, давление падает при неподвижном вытеснителе, расширившийся газ проходит через регенератор и поступает в компрессорный агрегат. Процесс выхлопа сопровождается понижением температуры в объеме V2. Выходящий поток снимает тепловую нагрузку в теплообменнике.
      При открытом клапане выпуска вытеснитель перемещается вниз, V2 = 0. В конце процесса выпускной клапан закрывается, и система возвращается в начальное положение. Процессы в обоих объемах идентичны, но различны по направлениям (см. рис. 2). В объеме V1 тепло генерируется, и газ нагревается, а в объеме V2 тепло поглощается и газ охлаждается.

Площадь диаграммы Р- V определяет изменение энтальпии в цикле. При равенстве объемов V1 и V2 (V1= V2 = V).
dI = V • (Рн – Рк),
где dI - изменение энтальпии.

Для холодного объема эта величина определяет холодопроизводительность идеального цикла, а для теплого объема – количество тепла, передаваемого в окружающую среду. Особенности рабочего цикла удобно проследить с помощью температурной диаграммы для различных стадий этого цикла (см. следующий рисунок).

цикл гелиевого рефрижиратора

График температур в различных стадиях цикла гелиевого рефрижератора (холодильной машины).

Газ из компрессора при температуре Т=300К поступает в объем V1, где его температура растет. Смешение с дополнительно поступающими порциями газа приводит к некоторому снижению температуры, но она остается выше температуры газа, поступающего из компрессора. Затем газ охлаждается в регенераторе и в процессе расширения. Подогрев обратного потока в теплообменнике нагрузки и регенераторе приводит к тому, что выходящий из машины газ теплее, чем поступивший в нее из компрессора. Разность температур dТ определяет холодопроизводительность цикла;
dt – недорекуперация на теплом конце регенератора.
Наилучший режим работы машины достигается такой организацией цикла, при которой вытеснитель в нижней и верхней мертвых точках не перемещается соответственно в течение времени, эквивалентному 75 и 110 градусов (весь цикл 360 градусов).

Холодопроизводительность идеальной машины с рабочим объемом V составит:
Q = n V (Рн – Рк)/ 60 Вт.,
где V- объем холодной полости, м2; Рн и Рк – начальное и конечное давление, Па; n – число циклов в минуту.

Холодопроизводительность реальной машины меньше на величину потерь от гидравлических сопротивлений, недорекуперации, теплопритоков и переноса теплоты вытеснителем.
Обычно, холодильная машина, используемая для охлаждения элементов томографа, имеет две ступени. Механизм привода вытеснителя может быть кривошипно-шатунным или пневмоприводным.