CN112556231B - 一种温度波动抑制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度波动抑制装置，包括G‑M制冷机冷头、G‑M制冷机、数据采集与控温系统和真空机组，所述G‑M制冷机冷头包括一级冷头和二级冷头，其特征在于，所述G‑M制冷机冷头的底部环形等距排布有三个薄壁支撑，三个所述薄壁支撑的底端固定连接有同一个铅蓄冷单元，所述铅蓄冷单元包括黄铜和铅块，所述铅块的顶部与二级冷头的底部相接触，所述黄铜包裹在铅块的外壁上，本发明可以在不使用高压氦气罐的同时达到同等的温度抑制效果，并且本发明的结构比使用氦气罐的结构简单，不需使用外接的氦气瓶等物品，增加了整个系统的可操作性、可靠性和安全性，并防止可能造成的漏热。
Description
技术领域
本发明涉及温度波动抑制技术领域，尤其涉及一种温度波动抑制装置。
背景技术
储利用制冷机直接冷却单光子探测器与其他冷却方式相比有许多优点，制冷机直接冷却方式结构简单，它结构简单、无需低温液体、便于移动和室外使用、运行和维护成本低等等，使其获得了广泛的使用。但是其显而易见的缺点即温度波动较大，限制了这种类型的温度抑制单元的进一步应用。
随着磁性蓄冷材料在低温蓄冷器中的使用，低温蓄冷器在极低温下的蓄冷效率获得提升，这使得G-M制冷机的最低温度可达2 K以下。近些年来，由于磁性填料的使用，使得G-M制冷机在制冷量、长期运行稳定性以及成本上，与其他小型低温制冷机相比具有较明显的优点，因而制冷机冷却的温度抑制单元中，有相当大的比例是使用G-M制冷机的。最低制冷温度为4 K的G-M制冷机，其二级冷头上温度波动的峰峰值大约为 0.3–0.6 K。在单光子探测器中普遍使用的冷源为液氦，以获得较高的温度稳定性，对G-M制冷机而言，其应用还须对其二级冷头进行温度波动进行调节后才能达到单光子探测器所需要的技G-M制冷机由于运行在低频率下，不可避免的会产生比较大的冷头温度波动，研究者们使用改进制冷机的结构、优化运行频率和压缩比等方法，可以直接获得比较好的温度稳定性。
对于20 K温区的G-M制冷机，大多数采用氦气罐和热阻片，但是氦气罐和热阻片存在一些缺点：1、氦气罐和热阻片进行温度波动抑制组装复杂，存在焊口，不稳定，2、需外部气源供气，连接氦气的管路会造成漏热，所以本发明提出一种温度波动抑制装置，用以解决上述所提到的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种温度波动抑制装置。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种温度波动抑制装置，包括G-M制冷机冷头、G-M制冷机、数据采集与控温系统和真空机组，所述G-M制冷机冷头的底部依次设置有一级冷头和二级冷头，其特征在于，所述G-M制冷机冷头的底部环形等距排布有三个薄壁支撑，三个所述薄壁支撑的底端固定连接有同一个铅蓄冷单元，所述铅蓄冷单元包括黄铜和铅块，所述铅块的顶部与二级冷头的底部相接触，所述黄铜包裹在铅块的外壁上，所述黄铜的底部固定连接有样品架，所述样品架的底部固定安装有第一辐射屏，所述样品架的底部固定安装有样品，所述样品上设置有多个安装槽，所述安装槽的内壁固定安装有温度计，三个所述薄壁支撑的外壁固定连接有同一个法兰，所述法兰的底部固定安装固定板，所述固定板的底部固定连接有第二辐射屏，所述铅蓄冷单元位于第二辐射屏内，所述G-M制冷机冷头的底部固定连接有第三辐射屏，所述真空机组的吸气口固定套设有管道，所述管道的一端延伸至第三辐射屏内，所述数据采集与控温系统与温度计相连接。
优选地，所述管道的外壁固定套设有真空阀，通过真空阀可以控制温度波动抑制系统内空气的抽取。
优选地，所述G-M制冷机冷头的底部固定连接有密封层，所述第三辐射屏的顶部延伸至密封层内，通过密封层可以增加第三辐射屏和G-M制冷机冷头密封性，防止漏气。
优选地，所述黄铜为内部空心两端开口圆柱型。
优选地，所述二级冷头和铅块之间设置有软连接，所述软连接为0.3mm-0.5 mm厚的无氧铜皮，无氧铜在低温下具有较高的热导率和较小的热容，通过黄铜可以提高冷量的传输效率。
优选地，所述铅蓄冷单元中铅块的使用量为66ml-100ml，同时可根据温度抑制要求计算具体使用量。
优选地，所述第一辐射屏和第二辐射屏均采用三层结构，内外两层均为表面磨光的无氧铜皮，中间夹层为防辐射材料。
优选地，所述铅块为一定长度圆柱状，利用长度的增加取得同等的温度波动抑制效果。
优选地，所述数据采集与控温系统包括数据采集系统和控温系统，所述数据采集系统主要由控温仪、计算机和数据采集记录程和数据采集板卡组成，用以采集温度信号，所述控温系统由直流电源、吉时利数字源表组成，可对G-M制冷机冷头和铅蓄冷单元进行控温。
优选地，所述温度计的测量引线使用线径为0.1 mm的漆包圆铜线刷制成排线，然后螺旋向上缠绕在铅蓄冷单元和G-M制冷机冷头的连接插头上，所述二级冷头和黄铜外部缠绕的加热丝使用线径为0.14 mm的镍丝，加热丝采用双股对称排列方式，以消除电感，减少测量误差。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明中，第一辐射屏和第二辐射屏均采用三层结构，内外两层均为表面磨光的无氧铜皮，中间夹层为防辐射材料。
2、本发明中，数据采集系统主要由控温仪、计算机和数据采集记录程和数据采集板卡组成，用以采集温度信号，控温系统由直流电源、吉时利数字源表组成，可对G-M制冷机冷头和铅蓄冷单元进行控温。
3、本发明中，无氧铜在低温下具有较高的热导率和较小的热容，通过黄铜可以提高冷量的传输效率，利用铅块长度的增加取得同等的温度波动抑制效果，软连接也可减小由冷头传递到铅蓄冷单元的振动。
本发明可以在不使用高压氦气罐的同时达到同等的温度抑制效果，并且本发明的结构比使用氦气罐的结构简单，不需使用外接的氦气瓶等物品，增加了整个系统的可操作性、可靠性和安全性，并防止可能造成的漏热。
附图说明
图1为本发明提出的一种温度波动抑制装置的示意图；
图2为本发明中G-M制冷机冷头与铅蓄冷单元的连接示意图；
图3为本发明中铅蓄冷单元的剖视示意图；
图4为本发明中A处放大图；
图5为本发明中数据采集程序的流程图;
图6为实施例2中使用铑铁温度计时温度波动降温曲线图；
图7为实施例2中使用cernox温度计时20K温度变化图。
图中标记：1、G-M制冷机冷头；2、薄壁支撑；3、一级冷头；4、二级冷头；5、软连接；6、铅蓄冷单元；7、法兰；8、铅块；9、样品架；10、黄铜；11、样品；12、温度计；13、第一辐射屏；14、第二辐射屏；15、第三辐射屏；16、数据采集与控温系统；17、G-M制冷机；18、真空机组；19、管道；20、真空阀；21、固定板；22、密封层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明，但本发明并不局限于以下技术方案。
实施例1
参照图1-图5，一种温度波动抑制装置，包括G-M制冷机冷头1、G-M制冷机17、数据采集与控温系统16和真空机组18，所述G-M制冷机冷头1的底部依次设置有一级冷头3和二级冷头4，所述G-M制冷机冷头1的底部环形等距排布有三个薄壁支撑2，三个所述薄壁支撑2的底端固定连接有同一个铅蓄冷单元6，所述铅蓄冷单元6包括黄铜10和铅块8，铅块8的顶部与二级冷头4的底部相接触，黄铜10包裹在铅块8的外壁上，所述黄铜10的底部固定连接有样品架9，所述样品架9的底部固定安装有第一辐射屏13，所述样品架9的底部固定安装有样品11，所述样品11上设置有多个安装槽，所述安装槽的内壁固定安装有温度计12，三个所述薄壁支撑2的外壁固定连接有同一个法兰7，法兰7的底部固定安装固定板21，固定板21的底部固定连接有第二辐射屏14，所述铅蓄冷单元6位于第二辐射屏14内，所述G-M制冷机冷头1的底部固定连接有第三辐射屏15，所述真空机组18的吸气口固定套设有管道19，所述管道19的一端延伸至第三辐射屏15内，所述数据采集与控温系统16与温度计12相连接，温度计12为Cernox系列温度计，测量样品架9上的温度，具体的型号为CX-1010-CD-BF0.1，G-M制冷机17为 Sumitomo公司的两级小型风冷G-M制冷机，型号为 RDK–415D。
本发明中，所述管道19的外壁固定套设有真空阀20，通过真空阀20可以控制第三辐射屏15内的空气的抽取。
本发明中，所述G-M制冷机冷头1的底部固定连接有密封层22，所述第三辐射屏15的顶部延伸至密封层22内，通过密封层22可以增加第三辐射屏15和G-M制冷机冷头1密封性，防止漏气。
本发明中，黄铜10为内部空心两端开口圆柱型。
本发明中，所述二级冷头4和铅块8之间设置有软连接5，所述软连接5为0.3mm-0.5mm厚的无氧铜皮，无氧铜在低温下具有较高的热导率和较小的热容，可以提高冷量的传输效率。
本发明中，所述铅蓄冷单元6中铅块8的使用量为66ml-100ml，同时可根据温度抑制要求计算具体使用量。
本发明中，所述第一辐射屏13和第二辐射屏14均采用三层结构，内外两层均为表面磨光的无氧铜皮，中间夹层为防辐射材料，第三辐射屏15由不锈钢材料制作而成。
本发明中，所述铅块8为一定长度圆柱状，利用长度的增加取得同等的温度波动抑制效果。
本发明中，所述数据采集与控温系统16包括数据采集系统和控温系统，所述数据采集系统主要由控温仪、计算机和数据采集记录程和数据采集板卡组成，用以采集温度信号，控温仪采用的是Keithley 2602b双通道数字源表。该控温仪有两个通道，分为channelA和channel B，和Cernox温度计配合使用时，在4.2 K温度下测温的分辨率为90μK，不确定度为±8.4 mK，所述控温系统由直流电源、吉时利数字源表组成，可对G-M制冷机冷头1和铅蓄冷单元6进行控温，温度测量的数据通过National Instrument的PXI-1042，与计算机采用GPIB接口总线连接，该通讯接口是8位并行的数字接口，数据传输速率最高可以达到8MB/s，采用链式扩展，采集程序使用LABView编写，该数据采集程序可以同时采集并记录两个的通道的测温数据，改变其PID、加热器等设置参数，数据采集程序的流程图，如图5所示，程序开始运行之后，首先设定Keithley 2602b双通道数字源表的通信地址、采样频率和数据文件的保存目录等参数，然后按照需求初始化测量仪器，之后循环读取仪器的测量数据并保存。
本发明中，所述温度计12的测量引线使用线径为0.1 mm的漆包圆铜线刷制成排线，然后螺旋向上缠绕在铅蓄冷单元6和G-M制冷机冷头1的连接插头上，所述二级冷头4和黄铜10外部缠绕的加热丝使用线径为0.14 mm的镍丝，加热丝采用双股对称排列方式，以消除电感，减少测量误差。
本发明的工作原理如下：先安装温度计12，连接温度计12的引线到数据采集与控温系统16，连接G-M制冷机17与真空机组18，打开管道19上的真空阀，开启真空机组18，对第三辐射屏15内部抽真空，至真空度为1×10-3Pa，保持第三辐射屏15内高真空状态， 打开数据采集与控温系统16，打开温度采集程序，开始记录测温数据，打开G-M制冷机17，一级冷头3、二级冷头4和样品架9降温，待样品架9的温度降至20 K以下时，通过Keithley 2602b双通道数字源表的加热输出功率，使样品架9的温度保持在20 K附近，在每个温度点的温度达到稳定后，持续采集20分钟的测温数据，并记录此时的加热功率，然后再进行下一个温度点的实验，完成本组实验后，首先关闭加热器，然后依次关闭G-M制冷机17，最后保存数据，关闭采集程序。
实施例2
使用铑铁温度计进行测试时，未使用本发明进行控温的G-M制冷机17中的二级冷头4温度波动大小及使用本发明进行控温的G-M制冷机17中的二级冷头4温度波动大小，测试结果如图6所示，从图6中可以看出，二级冷头4的原始温度波动在±300 mK以内，控温后铑铁温度计所测得的温度波动在±3 mK以内，达到了有效抑制温度的目的，验证了铅蓄冷单元6控抑制温度波动的性能。
用cernox温度计测得的结果如图7所示，Cernox温度计测得的温度波动在±0.45mK，将二级冷头4的温度峰峰值控制在了1 mK之内，结果表明，使用本发明进行温度抑制，能在体积较小的条件下，达到使用高压氦气罐同样的效果，并且使用本发明的结构比使用氦气罐的结构简单，不需使用外接的氦气瓶等物品，增加了整个系统的可操作性、可靠性和安全性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种温度波动抑制装置，包括G-M制冷机冷头（1）、G-M制冷机（17）、数据采集与控温系统（16）和真空机组（18），所述G-M制冷机冷头（1）的底部依次设置有一级冷头（3）和二级冷头（4），其特征在于，所述G-M制冷机冷头（1）的底部环形等距排布有三个薄壁支撑（2），三个所述薄壁支撑（2）的底端固定连接有同一个铅蓄冷单元（6），所述铅蓄冷单元（6）包括黄铜（10）和铅块（8），所述铅块（8）的顶部与二级冷头（4）的底部相接触，所述黄铜（10）包裹在铅块（8）的外壁上，所述黄铜（10）的底部固定连接有样品架（9），所述样品架（9）的底部固定安装有第一辐射屏（13），所述样品架（9）的底部固定安装有样品（11），所述样品（11）上设置有多个安装槽，所述安装槽的内壁固定安装有温度计（12），三个所述薄壁支撑（2）的外壁固定连接有同一个法兰（7），所述法兰（7）的底部固定安装固定板（21），所述固定板（21）的底部固定连接有第二辐射屏（14），所述铅蓄冷单元（6）位于第二辐射屏（14）内，所述G-M制冷机冷头（1）的底部固定连接有第三辐射屏（15），所述真空机组（18）的吸气口固定套设有管道（19），所述管道（19）的一端延伸至第三辐射屏（15）内，所述数据采集与控温系统（16）与温度计（12）相连接。
2.根据权利要求1所述的一种温度波动抑制装置，其特征在于，所述管道（19）的外壁固定套设有真空阀（20）。
3.根据权利要求1所述的一种温度波动抑制装置，其特征在于，所述G-M制冷机冷头（1）的底部固定连接有密封层（22），所述第三辐射屏（15）的顶部延伸至密封层（22）内。
4.根据权利要求1所述的一种温度波动抑制装置，其特征在于，所述黄铜（10）为内部空心两端开口圆柱型。
5.根据权利要求1所述的一种温度波动抑制装置，其特征在于，所述二级冷头（4）和铅块（8）之间设置有软连接（5），所述软连接（5）为0.3mm-0.5 mm厚的无氧铜皮。
6.根据权利要求1所述的一种温度波动抑制装置，其特征在于，所述铅蓄冷单元（6）中铅块（8）的使用量为66ml-100ml。
7.根据权利要求1所述的一种温度波动抑制装置，其特征在于，所述第一辐射屏（13）第二辐射屏（14）均采用三层结构，内外两层均为表面磨光的无氧铜皮，中间夹层为防辐射材料。
8.根据权利要求1所述的一种温度波动抑制装置，其特征在于，所述铅块（8）为一定长度圆柱状。
9.根据权利要求1所述的一种温度波动抑制装置，其特征在于，所述数据采集与控温系统（16）包括数据采集系统和控温系统，所述数据采集系统主要由控温仪、计算机和数据采集记录程和数据采集板卡组成，所述控温系统由直流电源、吉时利数字源表组成。
10.根据权利要求1所述的一种温度波动抑制装置，其特征在于，所述温度计（12）的测量引线使用线径为0.1 mm的漆包圆铜线刷制成排线，然后螺旋向上缠绕在铅蓄冷单元（6）和G-M制冷机冷头（1）的连接插头上，所述二级冷头（4）和黄铜（10）外部缠绕的加热丝使用线径为0.14 mm的镍丝。
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