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超薄、无磁、低蒸发率玻璃钢(GFRP)复合材料无磁杜瓦容器是超导量子干涉器件(SQUID)在心磁场、脑磁场等生物弱磁测量系统的必备低温装置之一,其结构和性能对SQUID的探测能力有至关重要的影响。
本文从结构力学和绝热性能的设计与分析着手,在关键工艺技术和性能实验研究的基础上研制出了满足生物磁测量要求的高性能杜瓦。首先,讨论了预浸渍缠绕工艺制作的玻璃钢复合材料的基本性能;其次,对力学性能和绝热性能进行设计与分析,确定了优化设计的结构;接着,探讨了满足生物磁测量要求的无磁杜瓦加工制作工艺技术,研究分析了玻璃钢管道结构设计的预浸渍缠绕工艺技术、低温螺纹胶粘接技术、高真空多层绝热结合铜丝网传导屏的绝热技术以及杜瓦夹层真空度保持技术;最后,对玻璃钢杜瓦耐气压性能、夹层真空性能和液氮温度杜瓦日蒸发率性能进行实验研究分析,评估了无磁杜瓦的整体性能。此外,还讨论了耐低温耐高压玻璃钢复合材料绝缘子制作工艺,对ITER复合材料轴向绝缘子进行了结构设计和性能分析,并对其性能进行实验研究分析。
计算分析和实验研究结果表明:1)制作的超薄无磁玻璃钢杜瓦容器能够满足耐低温性能和低蒸发率性能要求;2)其探测窗口处的距离小于15mm;3)内壳体能够承受0.3MPa的内压,漏率低于1×10-9pa·m3/s;4)杜瓦夹层真空度保持在0.01Pa左右,满足杜瓦夹层高真空多层绝热效果;5)液氮杜瓦日蒸发率小于7％,能够满足SQUID实际要求;6)设计的ITER绝缘子经过50次以上的冷热冲击在内压4MPa下氦气漏率小于5×10-10Pa·m3/s;7)绝缘子满足56kV高电压下漏电流小于12μA,达到ITER设计要求。
论文所研究的无磁杜瓦不仅在生物磁近距离弱磁测量中有广泛的应用,还在地磁、磁异常探测等远距离弱磁探测中有重要的应用价值。而且其研制过程中的关键工艺技术对设计ITER复合材料绝缘结构具有很大的参考价值。