CN111623552A - 一种采用吸附式制冷机的低温恒温器 - Google Patents

一种采用吸附式制冷机的低温恒温器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及低温技术领域，本发明的技术方案为：一种采用吸附式制冷机的低温恒温器，包括支架和固设于所述支架上的冷头固定板，所述冷头固定板上设有光纤进出密封接口和同轴电缆进出接口，所述冷头固定板的上端设有G‑M制冷机，所述冷头固定板的下端连接真空罩，所述G‑M制冷机的冷头连接在冷头固定板的中间并且延伸至所述真空罩内部，所述冷头的中部连接第一级冷平台，所述第一级冷平台下端连接有第一级冷屏，所述冷头的端部连接有第二级冷平台，所述第二级冷平台下方连接吸附床冷屏罩，所述吸附床冷屏罩内设有吸附式制冷机，所述第二级冷平台下端连接有第二级冷屏，所述第二级冷屏将吸附式制冷机笼罩在内。

Description

一种采用吸附式制冷机的低温恒温器
技术领域
本发明涉及低温技术领域，尤其涉及到一种采用吸附式制冷机的低温恒温器。
背景技术
超导纳米线单光子探测器需要安装在液氦温度以下的环境中，来保证它正常工作。通常采用的是基于商用化两级G-M制冷机开发的低温恒温器，其第二级冷平台能够达到约2.2K的最低工作温度，直接用于安装超导纳米线单光子探测器。超导纳米线单光子探测器的光纤端和同轴电缆端从处于2.2K的第二级冷平台起，穿过40K第一级冷平台的冷沉，最终连接到300K真空罩密封接口，实现高真空和超低温下探测信号的传输。但一些超导纳米线单光子探测器件的探测效率在2.2K的工作温度下仍未饱和，进一步降低工作温度有利于提升这些器件的探测效率、降低暗计数。单纯采用G-M制冷机的方案无法提供亚开尔文级的工作环境。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用吸附式制冷机的低温恒温器。
本发明的上述技术目的是用过以下技术方案实现的：
一种采用吸附式制冷机的低温恒温器，包括支架和固设于所述支架上的冷头固定板，所述冷头固定板上设有光纤进出密封接口和同轴电缆进出接口，所述冷头固定板的上端设有G-M制冷机，所述冷头固定板的下端连接真空罩，所述G-M制冷机的冷头连接在冷头固定板的中间并且延伸至所述真空罩内部；所述冷头的中部连接第一级冷平台，所述第一级冷平台下端连接有第一级冷屏，所述冷头的端部连接有第二级冷平台，所述第二级冷平台下方连接吸附床冷屏罩，所述吸附床冷屏罩内设有吸附式制冷机，所述第二级冷平台下端连接有第二级冷屏，所述第二级冷屏将吸附式制冷机笼罩在内；所述第一级冷平台的上部连接有多个一级电缆线导板，每个所述一级电缆线导板上通过螺钉连接有一级电缆线压板，所述第二级冷平台的上部连接有多个二级电缆线导板，每个所述二级电缆线导板上通过螺钉连接有二级电缆线压板；所述吸附式制冷机的中部设有液氦蒸馏板，所述液氦蒸馏板的四个面上各连接有一个1K预冷基板，所述吸附式制冷机的端部设有蒸发器，所述蒸发器上连接有若干个用于安装超导纳米线单光子探测器件的器件支架。
本发明的进一步设置为：所述真空罩由真空罩中段和真空罩底连接而成，所述真空罩将所述第一级冷屏笼罩在内。
本发明的进一步设置为：所述第一级冷屏由第一级冷屏中段和第一级冷屏底连接而成，所述第一级冷平台、第一级冷屏中段和第一级冷屏底构成密闭腔体。
本发明的进一步设置为：所述第二级冷屏由第二级冷屏中段和第二级冷屏底连接而成，所述第二级冷平台、第二级冷屏中段和第二级冷屏底构成密闭腔体。
本发明的进一步设置为：所述一级电缆线导板和一级电缆线压板、二级电缆线导板和二级电缆线压板之间设有若干个圆形压线槽，所述压线槽用于压紧多根低温同轴电缆，所述一级电缆线压板和二级电缆线压板的边缘为圆弧状，所述一级电缆线压板和二级电缆线压板为L形结构。
本发明的进一步设置为：所述第一级冷平台和所述第二级冷平台上均设置有光纤过孔，所述光纤过孔处通过螺钉连接光纤过孔挡板。
本发明的进一步设置为：所述预冷基板处连接若干SMA转接头。
本发明的进一步设置为：所述吸附式制冷机包括吸附床、热开关、主冷台、液氦蒸馏板和蒸发器，所述主冷台通过吸附床冷屏罩与第二级冷平台连接；所述吸附床和热开关均位于吸附床冷屏罩内，但不与吸附床冷屏罩相接触。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
由于采用了吸附式制冷机与G-M制冷机集成的方案，对G-M制冷机自身最低温度的要求不再严格，只需要G-M制冷机的第二级冷头工作在4.2K以下即可；而器件安装的位置在吸附式制冷机的蒸发器处，可以稳定达到850mK左右的更低工作温度，有利于提高超导纳米线单光子探测器探测效率饱和程度；在第一级冷平台、第二级冷平台以及吸附式制冷机液氦蒸馏板位置设置了三级冷沉，分为40K、4K以及1K逐级预冷低温同轴电缆，将导热漏热控制到最小；一级电缆线导板、二级电缆线导板每个均可压紧多根低温同轴电缆，使系统可以支持更多的通道数。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的剖视图。
图3是吸附式制冷机的结构示意图。
图4是一级电缆线导板和一级电缆线压板的结构示意图。
图中数字和字母所表示的相应部件名称：
其中：1、支架；2、冷头固定板；3、G-M制冷机；4、真空罩；5、冷头；6、第一级冷平台；7、第一级冷屏；8、第二级冷平台；9、吸附床冷屏罩；10、吸附式制冷机；11、第二级冷屏；12、一级电缆线导板；13、一级电缆线压板；14、二级电缆线导板；15、二级电缆线压板；16、液氦蒸馏板；17、预冷基板；18、蒸发器；19、器件支架；20、超导纳米线单光子探测器件；41、真空罩中段；42、真空罩底；71、第一级冷屏中段；72、第一级冷屏底；101、吸附床；102、热开关；103、主冷台；111、第二级冷屏中段；112、第二级冷屏底。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1至图4所示，本发明提出的一种采用吸附式制冷机的低温恒温器，包括支架1和固设于所述支架1上的冷头固定板2，所述冷头固定板2上设有光纤进出密封接口和同轴电缆进出接口，所述冷头固定板2的上端设有G-M制冷机3，所述冷头固定板2的下端连接真空罩4，所述G-M制冷机3的冷头5连接在冷头固定板2的中间并且延伸至所述真空罩4内部；所述冷头5的中部连接第一级冷平台6，所述第一级冷平台6下端连接有第一级冷屏7，所述冷头5的端部连接有第二级冷平台8，所述第二级冷平台8下方连接吸附床冷屏罩9，所述吸附床冷屏罩9内设有吸附式制冷机10，所述第二级冷平台8下端连接有第二级冷屏11，所述第二级冷屏11将吸附式制冷机10笼罩在内；所述第一级冷平台6的上部连接有多个一级电缆线导板12，每个所述一级电缆线导板12上通过螺钉连接有一级电缆线压板13，所述第二级冷平台8的上部连接有多个二级电缆线导板14，每个所述二级电缆线导板14上通过螺钉连接有二级电缆线压板15；所述吸附式制冷机10的中部设有液氦蒸馏板16，所述液氦蒸馏板16的四个面上各连接有一个1K预冷基板17，所述吸附式制冷机10的端部设有蒸发器18，所述蒸发器18上连接有若干个用于安装超导纳米线单光子探测器件20的器件支架19。
值得注意的是，多个一级电缆线导板12沿G-M制冷机3的冷头5圆周均布排列，多个二级电缆线导板14沿G-M制冷机3的冷头5圆周均布排列。
结合图2所示，所述真空罩4由真空罩中段41和真空罩底42连接而成，所述真空罩4将所述第一级冷屏7笼罩在内；所述第一级冷屏7由第一级冷屏中段71和第一级冷屏底72连接而成，所述第一级冷平台6、第一级冷屏中段71和第一级冷屏底72构成密闭腔体；所述第二级冷屏11由第二级冷屏中段111和第二级冷屏底112连接而成，所述第二级冷平台8、第二级冷屏中段111和第二级冷屏底112构成密闭腔体。
上述技术方案中，本发明通过设置的三个密闭腔体，可以保证超导纳米线单光子探测器的稳定和高效。
结合图2和如4所示，所述一级电缆线导板12和一级电缆线压板13、二级电缆线导板14和二级电缆线压板15之间设有若干个圆形压线槽，所述压线槽用于压紧多根低温同轴电缆，所述一级电缆线压板13和二级电缆线压板15的边缘为圆弧状，所述一级电缆线压板13和二级电缆线压板15为L形结构。
上述技术方案中，每个一级电缆线导板12上通过螺钉连接一级电缆线压板13，可作为一级冷沉压紧低温同轴电缆；每个二级电缆线导板14上通过螺钉连接二级电缆线压板15，可作为二级冷沉压紧低温同轴电缆。
结合图2所示，所述第一级冷平台6和所述第二级冷平台8上均设置有光纤过孔，所述光纤过孔处通过螺钉连接光纤过孔挡板；所述预冷基板17处连接若干SMA转接头。
上述技术方案中，光纤过孔的设置便于光纤穿过，通过螺钉与光纤过孔挡板连接，可用于减少不必要的辐射漏热面积；预冷基板17处连接若干SMA转接头，可作为三级冷沉固定低温同轴电缆。
结合图2和图3所示，所述吸附式制冷机10包括吸附床101、热开关102、主冷台103、液氦蒸馏板16和蒸发器18，所述主冷台103通过吸附床冷屏罩9与第二级冷平台8连接；所述吸附床101和热开关102均位于吸附床冷屏罩9内，但不与吸附床冷屏罩9相接触。
本技术方案中提及的吸附式制冷机与G-M制冷机冷头呈直线型布置，通过吸附床冷屏罩9将第二级冷平台8与吸附式制冷机10的主冷台103相连接，保证吸附式制冷机10的主冷台103在工作中始终保持4K以下的低温；也可以采用吸附式制冷机主冷台103直接与第二级冷平台8连接，使吸附式制冷机与G-M制冷机冷头呈U型布置；值得注意的是，所述吸附床101通过热开关102与主冷台103相连接，所述吸附床101呈悬空状态。
本发明的工作原理：在吸附式制冷机热开关关闭、吸附床加热状态下，利用G-M制冷机二级冷头先将吸附式制冷机主体预冷至液氦温区，此时吸附式制冷机中的氦气工质全部从吸附床中解析并液化进入蒸发器。而后关闭吸附床加热、打开热开关，使G-M制冷机二级冷头能够通过热开关冷却吸附床，吸附床开始吸附氦气工质，此时液化后的氦气逐渐蒸发并带走相变潜热，使蒸发器位置温度进一步降低至亚开尔文温区。本发明的恒温器为以上低温过程提供了必须的高真空度、低辐射漏热环境以及高效的集成方式。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种采用吸附式制冷机的低温恒温器，包括支架（1）和固设于所述支架（1）上的冷头固定板（2），其特征在于：所述冷头固定板（2）上设有光纤进出密封接口和同轴电缆进出接口，所述冷头固定板（2）的上端设有G-M制冷机（3），所述冷头固定板（2）的下端连接真空罩（4），所述G-M制冷机（3）上设有冷头（5），所述G-M制冷机（3）的冷头（5）连接在冷头固定板（2）的中间并且延伸至所述真空罩（4）内部；所述冷头（5）的中部连接第一级冷平台（6），所述第一级冷平台（6）下端连接有第一级冷屏（7），所述冷头（5）的端部连接有第二级冷平台（8），所述第二级冷平台（8）下方连接吸附床冷屏罩（9），所述吸附床冷屏罩（9）内设有吸附式制冷机（10），所述第二级冷平台（8）下端连接有第二级冷屏（11），所述第二级冷屏（11）将吸附式制冷机（10）笼罩在内；所述第一级冷平台（6）的上部连接有多个一级电缆线导板（12），每个所述一级电缆线导板（12）上通过螺钉连接有一级电缆线压板（13），所述第二级冷平台（8）的上部连接有多个二级电缆线导板（14），每个所述二级电缆线导板（14）上通过螺钉连接有二级电缆线压板（15）；所述吸附式制冷机（10）的中部设有液氦蒸馏板（16），所述液氦蒸馏板（16）的四个面上各连接有一个1K预冷基板（17），所述吸附式制冷机（10）的端部设有蒸发器（18），所述蒸发器（18）上连接有若干个用于安装超导纳米线单光子探测器件（20）的器件支架（19）。
2.根据权利要求1所述的一种采用吸附式制冷机的低温恒温器，其特征在于：所述真空罩（4）由真空罩中段（41）和真空罩底（42）连接而成，所述真空罩（4）将所述第一级冷屏（7）笼罩在内。
3.根据权利要求1所述的一种采用吸附式制冷机的低温恒温器，其特征在于：所述第一级冷屏（7）由第一级冷屏中段（71）和第一级冷屏底（72）连接而成，所述第一级冷平台（6）、第一级冷屏中段（71）和第一级冷屏底（72）构成密闭腔体。
4.根据权利要求1所述的一种采用吸附式制冷机的低温恒温器，其特征在于：所述第二级冷屏（11）由第二级冷屏中段（111）和第二级冷屏底（112）连接而成，所述第二级冷平台（8）、第二级冷屏中段（111）和第二级冷屏底（112）构成密闭腔体。
5.根据权利要求1所述的一种采用吸附式制冷机的低温恒温器，其特征在于：所述一级电缆线导板（12）和一级电缆线压板（13）、二级电缆线导板（14）和二级电缆线压板（15）之间设有若干个圆形压线槽，所述压线槽用于压紧多根低温同轴电缆，所述一级电缆线压板（13）和二级电缆线压板（15）的边缘为圆弧状，所述一级电缆线压板（13）和二级电缆线压板（15）为L形结构。
6.根据权利要求1所述的一种采用吸附式制冷机的低温恒温器，其特征在于：所述第一级冷平台（6）和所述第二级冷平台（8）上均设置有光纤过孔，所述光纤过孔处通过螺钉连接光纤过孔挡板。
7.根据权利要求1所述的一种采用吸附式制冷机的低温恒温器，其特征在于：所述预冷基板（17）处连接若干SMA转接头。
8.根据权利要求1所述的一种采用吸附式制冷机的低温恒温器，其特征在于：所述吸附式制冷机（10）包括吸附床（101）、热开关（102）、主冷台（103）、液氦蒸馏板（16）和蒸发器（18），所述主冷台（103）通过吸附床冷屏罩（9）与第二级冷平台（8）连接；所述吸附床（101）和热开关（102）均位于吸附床冷屏罩（9）内，但不与吸附床冷屏罩（9）相接触。
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