CN107664678B - 一种低震动超高真空低温物性测量装置 - Google Patents

一种低震动超高真空低温物性测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高真空低温物性测量装置，属于真空仪器设备领域，该装置包括GM型冷头、低震动管、防辐射罩和低温导热杆，低震动管上下分别通过法兰与上波纹管和下波纹管连接；上波纹管与GM冷头连接；下波纹管与磁场设备或仪器整体固定，其中，低震动管通过低震动支架连接样品杆，样品杆上固定有样品台，GM冷头包括一级冷头区和二级冷头区，防辐射罩固定在GM冷头的一级冷头区位置处；低温导热杆固定在GM冷头的二级冷头区位置上；且低温导热杆与样品杆进行固定。本发明将低温热连接结构与机械连接结构分离，从而实现超高真空与低温环境下的低震动物性测量。

Description

一种低震动超高真空低温物性测量装置
技术领域
本发明属于真空仪器设备领域，具体涉及一种超高真空低温物性测量装置，尤其是一种干式超高真空制冷设备都适用的降低测量震动噪音的装置。
背景技术
目前，商用的无液氦超高真空低温物性测量装置的由冷头、防辐射屏与防辐射塞连接组成。冷头一般有两种，Gifford-McMahon型冷头(简称GM冷头)，或者脉冲管冷头。以GM冷头为例，其主体为圆柱形，由一级冷头区与二级冷头区两部分构成。二级冷头区与一级冷头区共轴且为半径更小，长度更长的圆柱。一级冷头区温度为50K，二级冷头区最低温度为4.2K。防辐射屏与一级冷头区固定在一起，用于隔绝二级冷头与外界的热交换。冷头、防辐射屏与防辐射塞通过螺丝形成一个密闭空间。样品直接与二级冷头进行机械固定。在这种装置中，由于冷头与样品采用直接的机械连接，因此在进行低温物性测量的过程时，冷头运行产生的机械震动将直接影响到样品，使测量过程中出现较大的机械震动噪音，从而对测量结果的精度产生较大影响。
发明内容
本发明提供一种对所有干式超高真空制冷设备都适用的降低测量震动噪音的装置。
本发明通过以下技术方案予以实现。
本发明超高真空低温物性测量装置的整体结构如图1所示，包括GM型冷头、上波纹管(1)、下波纹管(2)、低震动管(3)和防辐射罩(4)。低震动管(3)上下分别通过法兰与上波纹管(1)和下波纹管(2)连接；低震动管(3)为与地面进行机械连接的直管，侧壁留有电学连接端口，内壁焊有低震动支架，下波纹管(2)与商用磁体设备固定。其中，上波纹管(1)通过法兰与GM冷头连接；GM冷头包括一级冷头区(5)和二级冷头区(10)、低震动管(3)通过低震动支架连接样品杆，样品杆上固定有样品台，防辐射罩(4)使用螺丝或其他方法固定在一级冷头区处；防辐射罩(4)位于商用磁体设备的真空区域，低温导热杆(11)通过螺丝固定在二级冷头区(10)上，防辐射罩和低温导热杆分别与样品杆防震连接。
样品杆由四个圆柱状中空管通过银焊组成，从上到下分别依此为不锈钢上段(20)、无氧铜上段(21)、不锈钢下段(22)、无氧铜下段(18)，低震动支架为304或者316不锈钢材料。具体连接方式为：低震动支架(19)固定焊接在低震动管(3)上；样品杆不锈钢上段(20)与低震动支架(19)末端通过螺丝进行固定；样品杆无氧铜上段(21)通过焊接分别与样品杆不锈钢上段(20)和样品杆不锈钢下段(22)进行固定；样品杆无氧铜下段(18)通过焊接与样品杆不锈钢下段(22)进行固定；样品台(12)通过螺丝与样品杆无氧铜下段(18)进行固定。
低温导热杆(11)与样品杆的具体连接方式为：低温导热杆(11)末端连接有第一铜辫连接器(14)结构，使用螺丝将铜辫(13)的一端与第二铜辫连接器(15)固定，第一铜辫连接器(14)和第二铜辫连接器(15)再通过螺丝进行固定；铜辫(13)的另一端焊接在第三铜辫连接器(16)上，第四铜辫连接器(17)焊接在样品杆无氧铜下段(18)上，第三铜辫连接器(16)与第四铜辫连接器(17)通过螺丝进行固定。
防辐射罩(4)与样品杆的具体连接方式为：防辐射罩(4)分为防辐射罩上段(6)、防辐射罩中段(7)、防辐射罩下段(8)，第五铜辫连接器(24)焊接在防辐射罩中段(7)上；铜辫(23)一端焊接在第六铜辫连接器(25)上，另一端焊接在第七铜辫连接器(26)；第五铜辫连接器(24)与第六铜辫连接器(25)通过螺丝进行机械连接；第八铜辫连接器(27)焊接在样品杆无氧铜上段(21)；第七铜辫连接器(26)和第八铜辫连接器(27)通过螺丝进行连接。
由于传统的超高真空低温物性测量装置中，热连接与机械连接同时进行，导致了传统的硬连接抗震性比较差，这一特性通常会对物性测量实验带来很大的电噪声。基于以上设计，本发明将低温热连接结构与机械连接结构分离，将样品台与低震动管进行了机械固定连接，而低震动管与上下两段波纹管通过法兰进行连接，并且与GM冷头进行机械固定。通过上下两段波纹管的软连接方式，可以使GM冷头制冷产生的机械振动有效地衰减，从而减少样品测量噪声。同时对热连接结构采用软连接抗震设计，从而实现超高真空与低温环境下的低震动物性测量。
附图说明
图1：测量装置整体外部主视图；
图2：防辐射罩主视图；
图3：测量系统整体剖面图；
图4：样品杆主视图；
图5：下方铜辫连接器等轴侧视图(上下方向与图1相反)；
图6：下方铜辫连接器连接方式示意图(上下方向与图1相反)；
图7：低震动管与减震支架等轴侧视图(上下方向与图1相反)；
图8：减震支架连接方式示意图(上下方向与图1相反)；
图9：减震连接结构示意图；
图10：低温热传导示意图；
图11：上方铜辫连接器连接方式示意图(上下方向与图1相反)；
图12：低温热传导系统与减震连接结构组合方式示意图。
各图中的标号：1-上部波纹管；2-下部波纹管；3-低震动管；4-防辐射罩；5-一级冷头区；6-防辐射罩上段；7-防辐射罩中段；8-防辐射罩下段；9-防辐射罩开孔；10-二级冷头区；11-低温导热杆；12-样品台；13-铜辫；14-第一铜辫连接器；15-第二铜辫连接器；16-第三铜辫连接器；17-第四铜辫连接器；18-样品杆无氧铜下段；19-低震动支架；20-样品杆不锈钢上段；21-样品杆无氧铜上段；22-样品杆不锈钢下段；23-铜辫；24-第五铜辫连接器；25-第六铜辫连接器；26-第七铜辫连接器；27-第八铜辫连接器。
具体实施方式
为了实现样品的物性测量，需要完成样品的热连接和机械连接，本发明通过如下设计来完成：GM冷头提供样品测量的低温环境，通过一系列的减震结构完成热连接；低震动管3提供样品台的低震动机械固定连接；低震动管3与上、下两段波纹管通过法兰进行连接，并且与GM冷头进行机械固定。通过上下两段波纹管的软连接方式，可以使GM冷头制冷产生的机械震动有效地衰减，从而减少样品测量噪声。
如图2-6所示，防辐射罩为管状结构，由防辐射罩上段6、防辐射罩中段7和防辐射罩下段8组成，防辐射罩上段6、防辐射罩中段7和防辐射罩下段8之间则通过螺丝进行固定；样品杆由四个圆柱状中空管通过银焊组成，从上到下分别依此为不锈钢上段20、无氧铜上段21、不锈钢下段22、无氧铜下段18。
热连接具体方式：将样品固定于样品台12进行测量。为了获得样品台12的低温环境，将低温导热杆11与二级冷头区通过螺丝进行固定；在低温导热杆11的末端有第一铜辫连接器14的设计；铜辫13一端与第二铜辫连接器15焊接，铜辫13另一端与第三铜辫连接器16焊接；第二铜辫连接器15与第一铜辫连接器14通过螺丝进行固定；第三铜辫连接器16与第四铜辫连接器17通过螺丝固定；第四铜辫连接器17焊接在样品杆无氧铜下段18；通过这样的方式，本发明二级冷头区的制冷功率可以传导至样品台12，从而实现样品附近的低温环境。
本发明需要实现样品或者说样品台连同样品杆无氧铜下段18的机械固定，本发明采用以下实现方式。
机械连接具体方式如图7-9所示：首先，使用低震动的支架来支撑低震动管3。低震动支架19焊接在低震动管3上；低震动支架19的末端通过螺丝与样品杆不锈钢上段20进行固定；考虑到低震动管3和低震动支架19均处于室温，为了尽可能的减小热量向二级冷头传导，因此本发明采用了导热性差的不锈钢材料；样品杆不锈钢上段20是空心圆柱形，为了排出内部的空气，本发明在其上面设计了孔状结构；样品杆无氧铜上段21与样品杆不锈钢上段20进行焊接；样品杆无氧铜上段21与防辐射罩进行连接，其作用是减小上方结构与样品台12区域的温度差；样品杆不锈钢下段22与样品杆无氧铜上段21进行焊接，其结构为表面带有孔状的空心圆柱，用于减小热量向样品台12传导；样品杆无氧铜下段18焊接于样品杆不锈钢下段22处；而样品台12通过螺丝固定于样品杆无氧铜下段18，通过这样的方式实现了样品台的机械连接。
此外，为了维持仪器内部的低温环境，尽量减少外界由于温差过大而产生的热辐射，图10-12分别展示了本发明设计的低温热传导设计，其中，防辐射罩上段6通过螺丝固定在一级冷头区5处，因此防辐射罩获得50K的温度；防辐射罩上段6设计有防辐射罩开孔9，其目的在于给低震动支架19留出穿入内部空间；防辐射罩上段6、防辐射罩中段7和防辐射罩下段8之间则通过螺丝进行固定；其中防辐射罩中段7焊接有第五铜辫连接器24结构，铜辫23一端与第六铜辫连接器25相连；第五铜辫连接器24与第六铜辫连接器25通过螺丝进行机械连接；第七铜辫连接器26焊接着铜辫23的另一端，第八铜辫连接器27焊接在样品杆无氧铜上段21，第七铜辫连接器26与第八铜辫连接器27通过螺丝进行固定；通过这样的设计将防辐射罩50K的温度传递至样品杆无氧铜上段21，从而减小样品杆不锈钢上段20与样品台之间的温差。至此完成整个低震动装置的连接。
上面描述的实施例并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的更动和润饰，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。

Claims (6)

1.一种超高真空低温物性测量装置，其特征在于，包括GM型冷头、低震动管、防辐射罩和低温导热杆，低震动管上下分别通过法兰与上波纹管和下波纹管连接；上波纹管与GM冷头连接；下波纹管与磁体设备连接，其中，低震动管通过低震动支架连接样品杆，样品杆上固定有样品台，GM冷头包括一级冷头区和二级冷头区，防辐射罩固定在GM冷头的一级冷头区位置处；低温导热杆固定在GM冷头的二级冷头区位置上；且防辐射罩和低温导热杆分别与样品杆防震连接。
2.如权利要求1所述的超高真空低温物性测量装置，其特征在于，所述样品杆由四个圆柱状中空管通过银焊组成，从上到下分别依此为不锈钢上段、无氧铜上段、不锈钢下段和无氧铜下段，其中在不锈钢上段和不锈钢下段的侧壁上设有孔状结构。
3.如权利要求2所述的超高真空低温物性测量装置，其特征在于，低震动支架焊接在低震动管上；低震动支架的末端通过螺丝与样品杆的不锈钢上段进行固定。
4.如权利要求2所述的超高真空低温物性测量装置，其特征在于，将低温导热杆与GM型冷头在二级冷头区位置处通过螺丝进行固定；低温导热杆与样品台进行防震连接,具体实现形式为：在低温导热杆的另一端有第一铜辫连接器；铜辫一端与第二铜辫连接器焊接，铜辫的另一端与第三铜辫连接器焊接；第一铜辫连接器与第二铜辫连接器通过螺丝进行固定；第三铜辫连接器与第四铜辫连接器通过螺丝固定；第四铜辫连接器焊接在样品杆的无氧铜下段上。
5.如权利要求2所述的超高真空低温物性测量装置，其特征在于，防辐射罩为管状结构，具体分为上段、中段和下段，防辐射罩与样品杆进行防震连接,具体实现形式为：在防辐射罩中段上焊接第五铜辫连接器；铜辫一端焊接在第六铜辫连接器上，铜辫的另一端焊接在第七铜辫连接器；第五铜辫连接器与第六铜辫连接器通过螺丝进行机械连接；第八铜辫连接器焊接在样品杆的无氧铜上段；第七铜辫连接器和第八铜辫连接器通过螺丝进行连接。
6.如权利要求2所述的超高真空低温物性测量装置，其特征在于，样品台通过螺丝或其他可拆卸模式与样品杆的无氧铜下段固定。
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