CN101856630B - 超流氦恒温浴装置 - Google Patents

Abstract

一种超导材料技术领域的超流氦恒温浴装置，包括：法兰盖、异径三通管、连接件、真空套管、支持杆、超流氦腔、波纹管和液氦层流限流管，其中：法兰盖、异径三通管、连接件和真空套管依次首尾固定连接，超流氦腔、波纹管和液氦层流限流管首尾相连通并固定设置于真空套管内部，待侧样品座通过支持杆悬挂并浸泡于超流氦腔内。本发明结构小巧，独立可拆卸，完全实现与液氦容器的分离，无需液氮容器及冷屏。超流氦发生腔也即抽空减压容积小，从而使得液氦消耗量大为减小，尤其适合小样品在1.8K-4.2K低温环境下的长时间连续测量场合。

Description

超流氦恒温浴装置

技术领域

本发明涉及的是一种超导材料技术领域的装置，具体是一种超流氦恒温浴装置。

背景技术

随着科学技术的发展，越来越多领域的科学研究内容需要绝对温度2K以下的低温环境支持。比如有大型的空间反物质探测项目Alpha Magnetic Spectrometer其粒子探测器中的超导磁体就需要工作在1.8K的温度下(相比4.2K普通液氦可提高磁场强度20％-30％)；当前发展迅速的量子通讯技术研究也需要稳定的2K以下低温环境以最大程度地去除各类热噪声。

目前有多种方法能够实现2K以下的温度条件，包括液氦-4抽空减压法、直接节流、带预冷节流、抽真空与节流结合等。对液氦-4进行抽真空减压突破液氦λ点温度以获得更低温度的超流氦是目前国际上用得较多的一种办法，其实现1.8K的温度环境比较容易，设备的结构相对简单，能够提供稳定的温度环境，成本较低。相比之下，采取与节流相关的方法总体上结构配置比较复杂，成本高。超流态是液氦独有的特殊性质，是液氦温度低于某一临界点时所进入的一种新的物质形态。与正常态液氦等经典液体不同，超流氦由于所谓的“宏观量子效应”而具有许多奇异的性质，如极高的导热性、极小的粘性、较大的压缩性等，另外还有爬膜效应、喷泉效应等特殊现象。

经过对现有技术的检索发现，章学华、丁立人[第九届全国低温工程大会论文集，合肥，2009，p301-306]介绍了一台外径Φ700mm，高1800mm的1.8K超流氦恒温器，采用对氦腔抽空减压并配以JT热交换器和JT阀的方式。但是该设备体积较大，与液氦容器做成一体，同时由于配有JT热交换器和JT阀，设置有液氮容器及冷屏，整体结构复杂，制作成本高昂，维持1.8K液氦耗量为2.5L/小时，适用于较大型磁体的冷却。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种超流氦恒温浴装置，采用抽空减压法产生超流氦，结构小巧，独立可拆卸，完全实现与液氦容器的分离，无需液氮容器及冷屏。超流氦发生腔抽空减压容积小，从而使得液氦消耗量大为减小。本发明插入商业化液氦容器内，液氦补充方便，尤其适合小样品在1.8K-4.2K低温环境下的长时间连续测量场合。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：法兰盖、异径三通管、连接件、真空套管、支持杆、超流氦腔、波纹管和液氦层流限流管，其中：法兰盖、异径三通管、连接件和真空套管依次首尾固定连接，超流氦腔、波纹管和液氦层流限流管首尾相连通并固定设置于真空套管内部，待侧样品座通过支持杆悬挂并浸泡于超流氦腔内。

所述的真空套管为双层夹套结构，其内部真空度为10^-6Pa以下；具体通过以下方式实现：在双层结构中抽真空至10^-3Pa然后浸入液氦可提高真空度至10^-6Pa以下，从而大大减小对流和导热引起的径向漏热。

所述的液氦层流限流管内设有400目致密不锈钢丝网叠层。

所述的超流氦腔内盛放抽空减压产生的超流氦，其中浸泡有待侧样品座，待侧样品座通过支持杆悬挂，该支持杆的上端与顶部法兰盖活动连接。

所述的超流氦腔的顶部与法兰盖密封连接并与异径三通管相连通，所述的异径三通管上设有开口法兰作为抽空减压抽气口，超流氦腔的底部依次连通波纹管和液氦层流限流管，液氦层流限流管的底端开口并与外部液氦相通。

所述的支持杆包括：三根并联的空心薄壁不锈钢管以及若干垂直于空心薄壁不锈钢管并与之相连接的聚四氟乙烯圆盘，其中：空心薄壁不锈钢管的直径Φ3mm、壁厚0.2mm，两个相邻的聚四氟乙烯圆盘的间距为150mm。该支持杆为底部的待侧样品安装平台提供支撑、定位，并方便测量引线减小漏热。

本发明运行时真空泵抽气使得装置内部的压力降低，1.8K所对应的液氦饱和气压时即为工作压力。实际运行时，通过浸没在超流氦浴中的温度传感器读数调节抽气口的微调针阀，以确定合适的抽气速率。与现有技术相比，本发明液氦消耗量大为减小并适合1.8K-4.2K低温环境下的长时间连续测量场合。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是低漏热支持杆的结构示意图。

图3是本发明下端局部放大示意图。

图4是液氦-4的相图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-3所示，本实施例包括：法兰盖1、异径三通管2、连接件4、真空套管5、支持杆3、超流氦腔6、波纹管10和液氦层流限流管8，其中：法兰盖1、异径三通管2、连接件4和真空套管5依次首尾固定连接，超流氦腔6、波纹管10和液氦层流限流管8首尾相连通并固定设置于真空套管5内部，待侧样品座7通过支持杆3悬挂并浸泡于超流氦腔6内。

如图2所示，所述的支持杆3采用三根直径Φ3mm、壁厚0.2mm的空心薄壁不锈钢管12并联形式，为底部的待侧样品安装平台提供支撑、定位，并方便测量引线，支持杆每隔150mm距离设置一聚四氟乙烯圆盘13，聚四氟乙烯圆盘13的外径与套管内径相匹配。

所述的真空套管5为双层夹套结构，在双层结构中抽真空至10^-3Pa然后浸入液氦可提高真空度至10^-5Pa以下，从而大大减小对流和导热引起的径向漏热。由于内外层温度低温段为4.2K和1.8K，辐射漏热极小，可忽略。

所述的液氦层流限流管8内设有400目致密不锈钢丝网叠层。

如图3所示，所述的超流氦腔6内盛放抽空减压产生的超流氦，其中浸泡有待侧样品座7，待侧样品座通过支持杆3悬挂。支持杆的上端与顶部法兰盖相连，可取出。超流氦腔的顶部通过法兰盖1密封，与异径三通管2连通，异径三通管上的开口法兰为抽空减压抽气口。超流氦腔6通过波纹管10和液氦层流限流管8首尾相连通，液氦层流限流管8的底端开口，与外部液氦相通。

整个装置通过卡套密封件与商业液氦杜瓦连接，杜瓦内盛有处于一个大气压下的常规态液氦，温度约为4.2K。装置工作前首先通过抽气口对双层薄壁套管抽真空，将压力抽至10^-3Pa以下后关闭截止阀门，在冷却至4.2K后真空度可上升至10^-5Pa以下，用以建立起杜瓦内常规液氦与装置内超流氦之间的温度差。超流氦发生腔的上部经过一个微调针阀后采用KF-25法兰与小型机械真空泵连通。通过调节针阀控制抽气速率，通过与超流腔相同的压力表读取腔内真空度。利用图4所示的液氦-4饱和蒸气压与温度关系调节超流氦蒸气压以控制超流氦浴的温度。

杜瓦内温度为4.2K的常规态液氦从装置底部层流限流孔流入。层流限流孔的作用是控制流量的同时保证其均匀流入。液氦将依次通过填充有不锈钢丝网的小管腔和小孔，最后通过波纹管流入超流氦发生腔中，以补充氦的抽气蒸发。超流氦发生腔为一管状结构，上端连接悬挂机构，周围通过弹性钢丝将其卡在正中位置。待冷却元件(如光纤)及温度传感器从上面沿支撑杆引下，浸没在1.8K的超流氦中。温度传感器采用Cernox^TM温度计(0.10K-325K)，用于在本装置运行时监控温度。在超流氦发生腔内部靠近上端的位置设有一圈方向为向内向下的锋利刀口，其目的是防止超流氦爬膜流到腔外，造成冷量损失，当超流氦流到刀口位置时，受到重力作用会落回腔内，避免了超流氦通过刀口向外流失。

本装置运行时真空泵抽气使得装置内部的压力降低，1.8K所对应的液氦饱和气压时即为工作压力。实际运行时，通过浸没在超流氦浴中的温度传感器读数调节抽气口的微调针阀，以确定合适的抽气速率。

Claims (4)

1.一种超流氦恒温浴装置，包括：法兰盖、异径三通管、连接件、真空套管、支持杆、超流氦腔、波纹管和液氦层流限流管，其特征在于：法兰盖、异径三通管、连接件和真空套管依次首尾固定连接，超流氦腔、波纹管和液氦层流限流管首尾相连通并固定设置于真空套管内部，待测样品座通过支持杆悬挂并浸泡于超流氦腔内；

所述的真空套管为双层夹套结构，其内部真空度为10^-6Pa以下；

所述的内部真空度通过以下方式实现：在双层结构中抽真空至10^-3Pa然后浸入液氦提高真空度至10^-6Pa以下；

所述的超流氦腔内盛放抽空减压产生的超流氦，其中浸泡有待测样品座，待测样品座通过支持杆悬挂，该支持杆的上端与顶部法兰盖活动连接；

所述的超流氦腔的顶部与法兰盖密封连接并与异径三通管相连通，所述的异径三通管上设有开口法兰作为抽空减压抽气口，超流氦腔的底部依次连通波纹管和液氦层流限流管，液氦层流限流管的底端开口并与外部液氦相通。

2.根据权利要求1所述的超流氦恒温浴装置，其特征是，所述的液氦层流限流管内设有400目致密不锈钢丝网叠层。

3.根据权利要求1所述的超流氦恒温浴装置，其特征是，所述的支持杆包括：三根并联的空心薄壁不锈钢管以及若干垂直于空心薄壁不锈钢管并与之相连接的聚四氟乙烯圆盘。

4.根据权利要求3所述的超流氦恒温浴装置，其特征是，所述的空心薄壁不锈钢管的直径Φ3mm、壁厚0.2mm，两个相邻的聚四氟乙烯圆盘的间距为150mm。

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