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Submitted on 1 Jan 1984
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THE FIRST SUPERCONDUCTING MAGNET FACILITY FOR MÖSSBAUER SPECTROSCOPY
DEVELOPED IN CHINA
Fang Sheng, Cheng Long, Li Su, Cheng Yong, Yang William
To cite this version:
Fang Sheng, Cheng Long, Li Su, Cheng Yong, Yang William. THE FIRST SUPERCONDUCTING
MAGNET FACILITY FOR MÖSSBAUER SPECTROSCOPY DEVELOPED IN CHINA. Journal de
Physique Colloques, 1984, 45 (C1), pp.C1-827-C1-831. �10.1051/jphyscol:19841169�. �jpa-00223643�
JOURNAL DE PHYSIQUE
Colloque C l , suppl6ment a u n o I , T o m e 45, janvier 1984 p a g e Cl-827
THE FIRST SUPERCONDUCTING MAGNET FACILITY FOR MOSSBAUER SPECTROSCOPY DEVELOPED .IN CHINA
Fang Guo Sheng, Cheng Guo Long, L i Su Su, Cheng Dar Yong and Yang W i l l i a m Shanghai EZec. Apparatus Research I n s t i t u t e , 505 Wu Ning Road, Shanghai, P.R. China
Resume - Nous avons congu et construit un dispositif
2ai- mants supraconducteurs pour la spectroscopie MGssbauer.
L'intensitg du champ au centre de l'aimant est d e
7,5T. Au- cun effet de training et de d6gradation ne s'est produit.
L'aimant &quip$ d'un interrupteur supraconducteur est capable d'opgrer en PCM avec une stabilite accrue. L'Schantillon est placS dans une chambre
2tempgrature variable, avec un accgs optique vertical, ainsi que des fenstres au centre. La gamme de tempgrature balay6e dans la chambre oii se trouve l'echan- tillon, est de 4,2 a
3 0 0 K t le taux d e pertes du cryostatest de 0,2 l/h.
A b s t r a c t
-
We d e s i g n e d a n d c o n s t r u c t e d a s e t o f s u p e r c o n d u c - t i n g m a g n e t f a c i l i t y f o r M o s s b a u e r s p e c t r o s c o p y . T h e c e n t r e f i e l d i n t e n s i t y o f t h e s u p e r c o n d u c t i n g m a g n e t i s 7 . 5 T . No o b v i o u s t r a i n i n g e f f e c t a n d d e g r a d a t i o n o c c u r . T h e s u p e r - c o n d u c t i n g m a g n e t w i t h s u p e r c o n d u c t i n g s w i t c h i s a b l e t o o p - e r a t e i n PCM, i t h a s b e t t e r s t a b i l i t y . T h e r e a r e a v a r i a b l e t e m p e r a t u r e c h a m b e r o f s a m p l e a n d v e r t i c a l o p t i c a l a c c e s s a s w e l l a s w i n d o w s i n t h e c e n t r e o f t h e c r y o s t a t . T h e v a r i a b l e t e m p e r a t u r e r a n g e o f t h e s a m p l e c h a m b e r i s b e t w e e n 4 . 2 - 3 0 0 K , t h e e v a p o r a t i o n r a t e o f t h e c r y o s t a t i s 0 . 2 l / h .INTRODUCTION
A k i n d o f new a n d p o w e r f u l m e a n s f o r Mo s a u e r s p e c t r o s c o p y i s p r o v i d - e d b y t h e s u p e r c o n d u c t i n g m a g n e t s y s t e m t l g . T h i s s y s t e m c r e a t e s t h e e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s o f t h e c r y o g e n i c t e m p e r a t u r e a n d s t r o n g mag
-
n e t i c f i e l d b y w h i c h m o r e i n f o r m a t i o n may b e o b t a i n e d , a n d n o t h e r c o n v e n t i o n a l t e c h n i c a l m e a n s c a n r e p l a c e s u c h a new s y s t e m ( 2 P . C r y o - m a g n e t i c s y s t e m h a s b e c o m e o n e o f t h e k e y t e c h n o l o g i e s i n t h e M o s s - b a u e r s p e c t r o s c o p y . C h i n e s e s c i e n t i s t s w o r k i n g a t M o s s b a u e r s p e c t r o s - c o p y h a v e b e e n e n g a g i n g i n a v e r y w i d e a p p l i e d r e s e a r c h e s i n m a n y d i f - f e r e n t f i e l d s o f s o l i d p h y s i c s , n u c l e a r p h y s i c s , m a g n e t i c m a t e r i a l s , c h e m i s t r y , b i o l o g y , g e o l o g y a n d s o o n . T h e y a r e m u c h i n t e r e s t e d i n t h i s s u p e r c o n d u c t i n g m a g n e t f a c i l i t y . A c c o r d i n g t o t h e i r p r a c t i c a l r e q u i r e m e n t s we h a v e d e v e l o p e d t h e f i r s t s u p e r c o n d u c t i n g m a g n e t f a c i -
l i t y f o r M o s s b a u e r s p e c t r o s c o p y i n C h i n a . I n a d d i t i o n t o t h e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f s u p e r c o n d u c t i n g m a g n e t s y s t e m i n c l u d i n g s w i t c h a n d p r o t e c t i o n r e s i s t o r a n d c r y o s t a t s y s t e m i n c l u d i n g a v a r i a b l e t e m p e r a - t u r e c h a m b e r o f s a m p l e a n d i t s i n s e r t , we s p e c i a l l y d e v e l o p e d f o r t h e c o m p l e t e s e t o f t h i s f a c i l i t y s o m e a c c e s s a r i e s , s u c h a s a m i n i a t u r e p o w e r s u p p l y of h i g h
accuracy
f o r t h e m a g n e t , c r y o g e n i c t e m p e r a t u r e c o n t r o l l e r a n d d i g i t a l c r y o g e n i c t e m p e r a t u r e i n d i c a t o r , e t c . A l l t h e m a t e r i a l s a n d c o m p o n e n t s u s e d i n t h i s f a c i l i t y a r e e n t i r e l y h o m e - m a d e . The p h o t o g r a p h o f t h e w h o l e f a c i l i t y i s s h o w n i n F i g . 1 .Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:19841169
C1-828 JOURNAL
DE
PHYSIQUESUPERCONDUCTING MAGNET SYSTEM
T h e s u p e r c o n d u c t i n g m a g n e t c o n s i s t s o f a m a i n c o i l a n d a c a n c e l l i n g c o i l i n s e r i e s - o p p o s i t e c o n n e c t i o n . T h e s a m p l e ( a b s o r b e r ) i s l o c a t e d i n a r e a o f s t r o n g f i e l d i n t h e c e n t r e o f t h e m a i n c o i l , a n d r a d i o a c - t i v e s o u r c e g e n e r a t i n g y - r a y i s p u t i n l o w f i e l d a r e a i n t h e c e n t r e o f c a n c e l l i n g c o i l . T h e p h o t o g r a p h ( F i g . 2 ) s h o w s t h e g e n e r a l a s p e c t o f t h e m a g n e t . B o t h t h e m a g n e t d e s i g n a n d t h e d i s t r i b u t i o n o f m a g n e t i c f i e l d a r e c a r r i e d o u t a n d c a l c u l a t e d b y c o m p u t e r . T h e p r o f i l e o f t h e f i e l d a l o n g t h e c e n t r e a x i s o f t h e m a g n e t i s s h o w n i n F i g . 3 . The c u r v e p l o t t e d b y d o t t e d l i n e i s o b t a i n e d by e n e r g i z i n g t h e m a i n c o i l a l o n e . T h e a c t i o n o f t h e c a n c e l l i n g c o i l is c l e a r l y s e e n . T h e m a i n
F i g . 1 T h e p h o t o g r a p h o f t h e F i g . 2 P h o t o g r a p h o f t h e s u p e r -
w h o l e f a c i l i t y c o n d u c t i n g m a g n e t
t e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n s a r e g i v e n i n t a b l e 1.
The s u p e r c o n d u c t i n g w i r e u s e d i s m u l t i f i l a m e n t a r y N b - T i w i t h c o p p e r m a t r i x . T h e d i a - m e t e r o f t h e c o n d u c t o r i s 0 . 6 m m w i t h 1 6 3 f i l a m e n t s a n d i t s c r o s s - s e c t i o n r a t i o o f c o p p e r t o N b T i s u p e r c o n d u c t o r i s 1 . 5 : 1.
T h e w i n d i n g s a r e w o u n d by t h e t e n s i o n m e t h o d . T h e f o r m e r i s m a d e o f s t a i n l e s s s t e e l . T h e i n s u l a t i o n b e t w e e n l a y e r s i s a n o d i z e d a l u m i n i u m f o i l a n d m y l a r by t u r n s . S i n c e we h a v e a d o p t e d p r o p e r p r o c e s - s i n g m e a s u r e s , e x p e r i m e n t r e - s u l t s s h o w t h a t n o o b v i o u s
'
t r a i n i n g e f f e c t a n d d e g r a d a - t i o n o c c u r i n o u r m a g n e t w h i c h i s n o t i m p r e g n a t e d . T h e m a g n e t h a s b e t t e r s t a b i l i t y . F i g . 3 M a g n e t f i e l d i n t e n s i t y The s y s t e m s t i l l may n o r m a l l yo n t h e a x i s o p e r a t e e v e n w h e n l i q u i d h e - l i u m f a l l s d o w n t o s u c h a l o w
l e v e l t h a t o n l y a b o u t 1 1 3 t h e h e i g h t o f t h e m a g n e t i s i m m e r s e d i n t h e h e l i u m r e s e r v o i r .
A t h e r m a l t y p e s u p e r c o n d u c t i n g s w i t c h i s c o n n e c t e d a c r o s s t e r m i n a l s o f t h e m a g n e t , t h e r e f o r e t h e m a g n e t i s a b l e t o o p e r a t e i n PCM. T h e s w i t c h is n o n - i n d u c t i v e l y w o u n d f r o m m u l t i f i l a m e n t a r y N b T i s u p e r c o n - d u c t i n g w i r e w i t h c o p p e r - n i c k e l m a t r i x a n d m a n g a n i n h e a t w i r e . T h e s w i t c h i s l o c a t e d i n a r e a o f l o w f i e l d i n t e n s i t y n e a r c a n c e l l i n g c o i l , h e n c e i t i s p o s s i b l e t o u s e l o w p e r f o r m a n c e w i r e t o w i n d t h e s w i t c h . When t h e f u l l c u r r e n t o f t h e m a g n e t p a s s e s t h r o u g h t h e s w i t c h , t h o u g h t h e d i a m e t e r o f w i r e u s e d i n t h e m a g n e t i s 0.6mm, t h e w i r e d i a m e t e r u s e d i n t h e s w i t c h may o n l y b e 0.46mm. A s s u p e r c o n d u c t i n g s w i t c h i s d r i v e n i n t o n o r m a l s t a t e , i t s r e s i s t a n c e i s a b o u t 1 0 R . T h e c h i e f p a - r a m e t e r s o f t h e s w i t c h i s a l s o s h o w n i n t a b l e l .
I n o r d e r t o meet t h e r e q u i r e m e n t o f t h e q u e n c h p r o t e c t i o n , t h e s u p e r - c o n d u c t i n g m a g n e t c o n t a i n s t a p s . T h e y a r e r e s p e c t i v e l y c o n n e c t e d i n
p a r a l l e l t o p r o t e c t i o n r e s i s t o r s l o c a t e d i n t h e c o l d h e l i u m g a s s e c - t i o n a b o v e t h e m a g n e t a t t h e t o p o f t h e h e l i u m r e s e r v o i r . A c c o r d i n g t o o u r e x p e r i e n c e g a i n e d i n t h e s m a l l s u p e r c o n d u c t i n g m a g n e t , t h e d e s - t r u c t i o n o f m a g n e t w i n d i n g s b r o u g h t a b o u t by q u e n c h i s m o s t l y d u e t o b r e a k t h r o u g h o f i n s u l a t i o n c a u s e d by o v e r v o l t a g e . T h r o u g h s e l e c t i n g l o w e r v a l u e o f t h e p r o t e c t i o n r e s i s t o r s , a s t h e m a g n e t q u e n c h s , we c a n l i m i t t h e s u d d e n r e v e r s a l o v e r v o l t a g e w i t h i n a s a f e r a n g e w h i c h t h e m a g n e t c a n t o l e r a t e . I n c o n s i d e r a t i o n o f m u t u a l i t y a m o n g t h e m a g n e t , s w i t c h a n d p r o t e c t i o n r e s i s t o r s , a f t e r c h o o s i n g p r o p e r m a t c h i n g o f p a - r a m e t e r s , m a n y e x p e r i m e n t s of t h e a r t i f i c i a l q u e n c h h a v e p r o v e d t h a t w h e n e i t h e r t h e m a g n e t o r t h e s w i t c h i s q u e n c h e d , o u r m a g n e t s y s t e m i s a l w a y s s a f e .
CRY OS TA T SY S TEN
F i g . 4 s h o w s a s c h e m a t i c v i e w o f t h e c r y o s t a t . I t c o n s i s t s m a i n l y o f a l i q u i d n i t r o g e n r e s e r v o i r a n d a l i q u i d h e l i u m r e s e r v o i r . T h e m a g n e t i s m o u n t e d o n t h e b o t t o m - p l a t e
o f h e l i u m r e s e r v o i r . H e l i u m r e s e r v o i r h a v i n g a c a p a c i t y o f 2 0 l i t e r s a b o v e t h e m a g - n e t i s h u n g t h r o u g h t h r e e t h i n - w a l l e d s t a i n l e s s s t e e l n e c k t u b e s f r o m t h e f l a n g e s e a l e d o n t o t h e o u t s i d e c a s e o f t h e c r y o s t a t , t h u s r e d u - c i n g t h e s o l i d h e a t - c o n d u c - t i o n t o t h e r e s e r v o i r . Two a l u m i n i u m g a s c o o l e d s h i e l d s , p o s i t i o n e d a t t h e n e c k t u b e a n d s u r r o u n d i n g h e l i u m r e s e r
-
v o i r , a r e c o o l e d t o 25K a n d 50K r e s p e c t i v e l y by t h e c o l d h e l i u m g a s f l o w i n g t o t h e n e c k t u b e s . T h e u p p e r p a r t o f t h e l i q u i d n i t r o g e n r e s e r - v o i r l o c a t e d a b o v e t h e h e l i u m r e s e r v o i r i s t h e r m a l l y a n i c h o r e d t o t h e h e l i u m n e c k t u b e s , a n d a n i t r o g e n c o o l e d s h i e l d a r o u n d g a s c o o l e d s h i e l d s i s p o s i t i o n e d a t
C u r r e n t l e a d s
L i q u i d n i t r o g e n
V a c c u m e x h a u s t C o n d u c t i n g
s h i e l d
L i q u i d h e l i u m S o u r c e M a g n e t S a m p l e W i n d o w s
F i g . 4 S c h e m a t i c v i e w o f t h e c r y o s t a t
C1-830
JOURNAL DE PHYSIQUET a b l e 1. T e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n s o f s u p e r c o n d u c t i n g m a g n e t a n d s w i t c h
M a i n c o i l : c e n t r e f i e l d i n t e n s i t y 7 . 5 T
c e n t r e f i e l d h o m o g e n e i t y 0 . 5 % o v e r 12mm d s v
c a n c e l l i n g c o i l c e n t r e f i e l d i n t e n s i t y c 4 0 0 G w i t h i n +12mm o f t h e p o i n t 120mm f r o m t h e c e n t r e p o i n t .
M a g n e t c o n s t a n t G/A 1 0 3 8 . 9 G / A
D i a m e t e r o f m a g n e t b o r e 4 5 6mm
I n d u c t a n c e 6 . 7 H
S w i t c h : " N o r m a l " r e s i s t a n c e A p p r o x . 1 0 R H e a t e r r e s i s t a n c e A p p r o x . 6 0 R H e a t e r o p e r a t i n g c u r r e n t 90mA
l o w e r p a r t o f t h e l i q u i d n i t r o g e n r e s e r v o i r . The p r a c t i c a l m e a s u r e - m e n t s h o w s t h a t t h e e v a p o r a t i o n r a t e o f t h e c r y o s t a t i s 0 . 2 l / h i n t h e
n o r m a l o p e r a t i o n . T h e r e i s a c h a m b e r o f s a m p l e w i t h a c c e s s d i a m e t e r 39mm i n t h e c e n t r e o f t h e c r y o s t a t . T h e r e i s a d r i v e a s s e m b l y , i n - c l u d i n g t r a n s d u e r , r a d i o a c t i v e s o u r c e a n d s a m p l e h o l d e r . T h e o p t i c a l w i n d o w s a r e m o u n t e d a t t h e b o t t o m s o f t h e h e l i u m r e s e r v o i r , c o n d u c t i n g s h i e l d a n d o u t s i d e c a s e o f c r y o s t a t r e s p e c t i v e l y a l o n g t h e p a s s a g e o f y - r a y . T h e w i n d o w m a t e r i a l i s m y l a r a l u m i n i z e d o n b o t h s u r f a c e s . T h e w i n d o w i s b o u n d e d o n t h e f l a n g e w i t h N o . 4 c r y o g e n i c a d h e s i v e . A w i n - dow f l a n g e p l a c e d i n t h e r e g i o n o f t h e l i q u i d h e l i u m i s s e a l e d w i t h O- s h a p e i n d i u m w i r e r i n g . A f t e r many r e p e a t e d t h e r m a l c y c l e s a s w e l l a s
p r a c t i c a l o p e r a t i o n s , t h e o p t i c a l w i n d o w s a n d t h e s e a l s p e r f o r m s a t i s - f a c t o r i l y .
VARIABLE TEMPERATURE SYSTEM
T h e t e m p e r a t u r e o f t h e s a m p l e c h a m b e r may b e v a r i e d a n d , c o n t r o l l e d by s t a t i c e x c h a n g e g a s a n d e l e c t r o n i c t e m p e r a t u r e c o n t r o l l e r . The man
-
g a n i n h e a t i n g w i r e i s w o u n d o n t h e s a m p l e h o l d e r . T h e t e m p e r a t u r e s e n s o r - i s g o l d - i r o n 0 . 0 7 % v s c h r o m e 1 t h e r m o c o u p l e s . T h e t e m p e r a t u r e c a n b e v a r i e d c o n t i n u o u s l y i n t h e r a n g e o f 4 . 2 - 3 0 0 K . S t a b i l i t y o f t e m p e r a t u r e i s ~ 0 . 3 K . T h e r e a d o u t a c c u r a n c y o f t h e d i g i t a l t e m p e r a - t u r e i n d i c a t o r i s + 0 . 5 K .
S i n c e d r i v e a s s e m b l y i s p l a c e d i n s i d e t h e s a m p l e c h a m b e r i s o l a t e d f r o m m a i n h e l i u m b a t h , i f n e c e s s a r y , we c a n c h a n g e s a m p l e o r r a d i o a c t i v e s o u r c e w i t h o u t r e w a r m i n g t h e c r y o s t a t .
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T h e r e a r e t w o m o d e s o f e n e r g i z a t i o n f o r t h e m i n i a t u r e p o w e r s u p p l y t o e n e r g i z e s u p e r c o n d u c t j n g m a g n e t : C o n s t a n t v o l t a g e mode a n d c o n s t a n t c u r r e n t m o d e . I t s o u t p u t c u r r e n t i s 0 - 7 5 A . O u t p u t v o l t a g e i s 2 3 v , o u t p u t c u r r e n t s t a b i l i t y i s 3 ~ 1 0 - ~ . A k i n d o f d e m o u n t a b l e c u r r e n t l e a d i s d e s i g n e d . When e n e r g i z a t i o n o f t h e m a g n e t h a s b e e n c o m p l e t e d a n d t h e m a g n e t h a s e n t e r e d i n t o PCM, t h e n we c a n t u r n o f f p o w e r s u p p l y o f t h e m a g n e t , a n d d r a w t h e l e a d s o u t t h e c r y o s t a t t o d e c r e a s e l e a k a g e h e a t , h e n c e c u t t i n g d o w n t h e e v a p o r a t i o n r a t e . T h e p r a c t i c a l m e a s u r e - m e n t s h o w s t h a t i t s c o n t a c t r e s i s t a n c e i n t h e l i q u i d h e l i u m i s
1 . 6 ~ 1 0 - ~ ~ . CONCLUSION
The t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e m a i n f u n c t i o n s a n d t e c h n i c a l s p e c i f i c a - t i o n s o f t h i s f a c i l i t y , s u c h a s s t i p u l a t e d p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s o f s u p e r c o n d u c t i n g m a g n e t , c r y o s t a t , a n d s o f o r t h , h a v e e n t i r e l y b e e n a c h i e v e d a n d t h e w h o l e s y s t e m p r o v e s t o b e a b l e t o m e e t t h e p r a c t i c a l r e q u i r e m e n t s o f t h e r e s e a r c h o f M o s s b a u e r s p e c t r o s c o p y .
ACKNOWLEDGEMENT
A u t h o r s e x p r e s s t h e i r s i n c e r e t h a n k s t o E n g i n e e r Mo Z h a n g G i n g a n d E n g i n e e r Wu Y i C h u n g f o r t h e i r c o n t i n u o u s s u p p o r t a n d v a l u a b l e i n s - t r u c t i o n t h r o u g h o u t t h e p r o c e s s o f r e s e a r c h . The t e m p e r a t u r e c o n t r o l - l e r a n d i n d i c a t o r u s e d i n t h i s f a c i l i t y a r e p r o v i d e d by E n g i n e e r S h e n C h i n g a n d Mar Der S h o n g . E n g i n e e r Z h a n g X i n g M i o a n d m a n y o t h e r c o l - l e a g u e s o f o u r d e p a r t m e n t g i v e u s a l o t o f v a l u a b l e h e l p i n t h e t e s t w o r k . A u t h o r s a l s o e x p r e s s t h a n k s t o t h e m a l t o g e t h e r .
REFERENCES
( 1 ) P . P . C r a i g . , M o s s b a u e r E f f e c t M e t h o d o l o g y ,