CN112763951A - 一种干式冷却型低温超导材料的性能测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种干式冷却型低温超导材料的性能测试装置，其特征在于，包括真空筒(4)；真空筒(4)内包括一级冷链(3)、辐射阻隔屏(5)，辐射阻隔屏(5)内包括二级冷链(10)和样品台(11)；其中，低温冷头(2)顶部分别与波纹管(6)、阻尼器(1)连接；集成法兰(7)与真空筒(4)密封连接，低温冷头(2)的底部经该波纹管(6)、集成法兰(7)延伸到真空筒(4)内；低温冷头(2)的底部伸入辐射阻隔屏(5)内与样品台(11)连接；一级冷链(3)位于辐射阻隔屏(5)外，低温冷头(2)的一级冷端通过一级冷链(3)与辐射阻隔屏(5)连接；低温冷头(2)的二级冷端通过二级冷链(10)与样品台(11)连接。
Description
技术领域
本发明涉及低温与超导技术领域，具体涉及到一种干式冷却型低温超导材料的性能测试装置。
背景技术
在超导领域，经过几十年的发展，低温超导技术已经在某些方面获得长足进步，比如超导铌材已经在粒子加速器方面得到广泛应用。目前，用于超导低温环境的实现，普遍的方式是依靠大型氦液化器，新型超导零部件的研究也多依靠液氦冷却。
大型氦液化器的运行需要消耗大量的电能，设备装置庞大，不利于常规实验室的普及应用，因而只有为数不多的大型研究中心可开展相关研究。
不论是大型氦液化器还是直接购买液氦，都要消耗大量珍贵的氦工质，实验开展成本高昂。液氦工质的使用具有危险性，操作过程繁琐，进一步限制了低温超导实验的普遍开展。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种干式冷却型低温超导材料的性能测试装置，用于解决以上背景技术介绍的问题。
本发明的技术方案如下：
一种干式冷却型低温超导材料的性能测试装置，其特征在于，包括阻尼器1、低温冷头2、真空筒4、波纹管6和集成法兰7；真空筒4内包括一级冷链3、辐射阻隔屏5，辐射阻隔屏5内包括二级冷链10和样品台11；其中，
所述低温冷头2顶部为大气端，所述低温冷头2顶部设有一固定法兰，该固定法兰的底端与波纹管6上端连接，该固定法兰的顶端与阻尼器1连接；该波纹管6下端与集成法兰7大气端连接；集成法兰7与真空筒4密封连接，所述低温冷头2的底部经该波纹管6、集成法兰7延伸到真空筒4内；
所述低温冷头2与辐射阻隔屏5通过法兰连接固定且所述低温冷头2的底部伸入辐射阻隔屏5内与样品台11连接；辐射阻隔屏5，用于阻挡真空筒4与样品台11之间的热辐射；
所述一级冷链3位于辐射阻隔屏5外，所述低温冷头2的一级冷端通过一级冷链3与辐射阻隔屏5连接，用于通过一级冷链3将冷量传导给辐射阻隔屏5；所述低温冷头2的二级冷端通过二级冷链10与样品台11连接，用于通过二级冷链10将冷量传导给样品台10。
进一步的，所述辐射阻隔屏5的内外表面进行剖光并镀金，且外表面缠绕多层铝箔。
进一步的，所述一级冷链3在40K时导热系数大于1000W/(m·K)，所述二级冷链10在4K时导热系数大于400W/(m·K)。
进一步的，所述样品台11通过绝热拉杆8连接到辐射阻隔屏5顶端。
进一步的，所述绝热拉杆8为空心结构。
进一步的，所述样品台11包括过渡板111、下冷板115、上冷板116、加热棒114；上冷板116与下冷板115通过铜质叠加薄片119连接，上冷板116和下冷板115上分别设置用于固定样品的跑道型六瓣孔112、测量样品温度的温度探头113；二级冷链10通过过渡板111与低温冷头2连接，加热棒114安装在过渡板111的侧孔中。
进一步的，上冷板116和下冷板115之间设有预紧螺栓117，用于固定位于上冷板116和下冷板115之间的样品。
进一步的，所述预紧螺栓117为铜材。
进一步的，所述样品台11上设有加热棒，用于调节样品台的温度。
本发明干式冷却型低温超导材料的性能测试装置，包括阻尼器1、低温冷头2、一级冷链3、真空筒4、辐射阻隔屏5、波纹管6、集成法兰7、绝热拉杆8、真空阀9、二级冷链10、样品台11等。一级冷链3连接低温冷头2与辐射阻隔屏5，阻尼器1和波纹管6上下连接到低温冷头2的固定法兰，二级冷链10连接样品台11和低温冷头2。
本发明一较佳的实施方式中，阻尼器1和波纹管6组合起来，固定并减振低温冷头2，波纹管6过滤振动传播，阻尼器1抵消低温冷头2的振动。
本发明一较佳的实施方式中，一级冷链3和二级冷链10是柔性的高导热性材料，可自由变形，通过传导方式传输冷量，不涉及液态工质。一级冷链3在40K时导热系数大于1000W/(m·K)，二级冷链10在4K时导热系数大于400W/(m·K)。一级冷链3用于接收低温冷头2的冷量并传导给辐射阻隔屏5，二级冷链10用于接收低温冷头2的冷量并传导给样品台11。
本发明一较佳的实施方式中，低温区的零件置于真空筒4中，通过真空阀9外接相关设备，常温下预抽真空，保持真空小于20Pa即可长期试验。
本发明一较佳的实施方式中，低温区的零件组装在一个集成法兰7上，抽芯更换样品。
本发明一较佳的实施方式中，真空筒4与样品台11之间设置辐射阻隔屏5，设置为筒体法兰形式，筒体部分可向下快速拆除，本身为密度低传热好的金属材质。
本发明一较佳的实施方式中，辐射阻隔屏5的内外表面进行剖光并镀金，并在外面缠绕多层铝箔，阻隔屏5的连接法兰处，接触面积较大，并设置凹槽，用来填充强化传热材料，比如铟丝。
本发明一较佳的实施方式中，样品台11通过绝热拉杆8连接到辐射阻隔屏5顶端，拉杆设置为空心结构。
本发明一较佳的实施方式中，样品台11分为上下两个冷板，设置跑道型六瓣孔，螺栓固定可以在孔的任何一个位置实现，不需要确定的样品直径，满足样品大小的连续可变，上下冷板之间的预紧螺栓为紫铜材质。冷板一是起到冷沉或者均匀化温度的作用，另一个作用是固定样品。
本发明一较佳的实施方式中，样品台11布置有加热棒，位置靠近二级冷链10的连接处，实现样品台温度-270摄氏度到-264摄氏度的连续调节。通过加热棒的温度控制抵消部分冷量，进而调节温度。
相较于现有技术，本发明提供的一种干式冷却型低温超导材料的性能测试装置具有如下优点：第一，装置运行过程中，冷量的获得依靠小型低温冷头，冷量的传递依靠传导方式，过程中仅小型低温冷头消耗少量的电能，功耗较小，不消耗昂贵的液氦资源，运行成本较低；第二，温度可以达到常压饱和液氦的温度以下，达到-270摄氏度，温度是可调节的，便于控制超导材料超导态与正常态的转化；第三，设备体积较小，节省宝贵的实验室空间资源；第四，样品更换方便，通过顶法兰抽芯实现；第五，安全性较高，无惰性气体泄露风险。
附图说明
图1为本发明干式冷却型低温超导材料的性能测试装置的剖视图。
图2为一级冷链和辐射阻隔屏的组装结构图。
图3为二级冷链和样品台的组装结构图。
其中，1-阻尼器、2-低温冷头、3-一级冷链、4-真空筒、5-辐射阻隔屏、6-波纹管、7-集成法兰、8-绝热拉杆、9-真空阀、10-二级冷链、11-样品台；111-过渡板、112-跑道型六瓣孔、113-温度探头、114-加热棒、115-下冷板、116-上冷板、117-预紧螺栓、118-样品、119-铜质叠加薄片。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
参考图1，本发明提供一种干式冷却型低温超导材料的性能测试装置，包括阻尼器1、低温冷头2、一级冷链3、真空筒4、辐射阻隔屏5、波纹管6、集成法兰7、绝热拉杆8、真空阀9、二级冷链10、样品台11等。一级冷链3连接低温冷头2与辐射阻隔屏5，阻尼器1和波纹管6上下连接到低温冷头2的固定法兰，二级冷链10连接样品台11和低温冷头2。
本实施例中，低温冷头2的固定法兰的底部通过螺栓连接在波纹管6上，固定法兰的顶部通过螺柱连接固定在阻尼器1上，通过调节相对位置关系，将其置于最佳的状态，低温冷头2中一级冷端借助螺栓法兰压紧的方式，通过一级冷链3连接到辐射阻隔屏5上，低温冷头2的二级冷端借助螺栓法兰压紧的方式，通过二级冷链10连接到样品台11上，接触面需要设置软质金属垫片，比如铟片，或者导热脂。一级冷链和二级冷链均采用柔性的高导热材料，本质上低温冷头2悬在空中，振动在传递到样品台11位置时已经极大的衰减，以满足相应的精密实验要求。
本实施例中，低温区的零部件置于真空筒4中，通过真空阀9外接真空获得设备可以建立并保持初始真空＜20Pa，待开机实验时，真空阀9保持关闭状态，随着温度的逐渐降低，真空可以达到10-5Pa量级，满足隔热要求。参考图2，辐射阻隔屏5可以阻挡室温真空筒4与样品台11之间的热辐射，本身的剖光或者镀金处理工艺可降低发射率，外部包扎多层铝箔可以进一步降低辐射换热速率，以保证样品台温度的均匀和稳定。
本实施例中，整个低温区零部件安装在顶法兰上，更换样品前，需待温度恢复到-196摄氏度以上，用干燥空气或者氮气破坏真空筒的真空状态，而后保持真空阀9极小开度开启。待温度升到常温状态，打开顶法兰固定螺栓，抬起顶法兰，拆掉辐射阻隔屏即可更换测试超导样品。
本实施例中，参考图3，样品台11包括过渡板111、跑道型六瓣孔112、温度探头113、加热棒114、下冷板115、上冷板116、预紧螺栓117、样品118、铜质叠加薄片119。上冷板116和下冷板115之间通过铜质叠加薄片119连接，二级冷链10通过过渡板111与低温冷头2连接，加热棒114安装在过渡板111的侧孔中，预紧螺栓117需要高导热系数的铜材定制。更换样品118时，松开预紧螺栓117，打开样品台11的单边冷板115、116，取下样品118，将新样品固定在跑道型六瓣孔112上，在冷板115、116和样品118之间，需要设置铟片或者导热脂等，减小传热热阻。样品大小可在一定的范围内连续变化，样品冷板的厚度不宜过厚，满足导热要求的同时兼顾一定的预紧压力要求。
本实施例中，温度降低时间＜12小时，可以利用夜间时间降温，白天工作时间开展实验工作，在-270摄氏度下通过加热器的补偿，实现最低温度到超导临界温度以上的连续可调，观察超导样品的性质变化。
本实施例中，绝热拉杆8的设计要综合样品台的重量和漏热要求等因素，一级冷链3和二级冷链10的设计要综合考虑温差要求、传热距离和冷质量等因素，样品台的设计要考虑超导样品传热、力学性质和低温冷头冷量等因素。
以上所述，仅用于说明本发明的技术方案，并非对发明的做出限制，虽然上述实施例做出了详细的说明，但本领域的技术人员可以在不脱离本技术方案的范围内，对其进行替换、修饰和简单更改，而这些替换、修饰和简单更改并不能使相应技术方案的本质脱离本使用新实施例的范围。
Claims (9)
1.一种干式冷却型低温超导材料的性能测试装置，其特征在于，包括阻尼器(1)、低温冷头(2)、真空筒(4)、波纹管(6)和集成法兰(7)；真空筒(4)内包括一级冷链(3)、辐射阻隔屏(5)，辐射阻隔屏(5)内包括二级冷链(10)和样品台(11)；其中，
所述低温冷头(2)顶部为大气端，所述低温冷头(2)顶部设有一固定法兰，该固定法兰的底端与波纹管(6)上端连接，该固定法兰的顶端与阻尼器(1)连接；该波纹管(6)下端与集成法兰(7)大气端连接；集成法兰(7)与真空筒(4)密封连接，所述低温冷头(2)的底部经该波纹管(6)、集成法兰(7)延伸到真空筒(4)内；
所述低温冷头(2)与辐射阻隔屏(5)通过法兰连接固定且所述低温冷头(2)的底部伸入辐射阻隔屏(5)内与样品台(11)连接；辐射阻隔屏(5)，用于阻挡真空筒(4)与样品台(11)之间的热辐射；
所述一级冷链(3)位于辐射阻隔屏(5)外，所述低温冷头(2)的一级冷端通过一级冷链(3)与辐射阻隔屏(5)连接，用于通过一级冷链(3)将冷量传导给辐射阻隔屏(5)；所述低温冷头(2)的二级冷端通过二级冷链(10)与样品台(11)连接，用于通过二级冷链(10)将冷量传导给样品台(10)。
2.如权利要求1所述的干式冷却型低温超导材料的性能测试装置，其特征在于，所述辐射阻隔屏(5)的内外表面进行剖光并镀金，且外表面缠绕多层铝箔。
3.如权利要求1所述的干式冷却型低温超导材料的性能测试装置，其特征在于，所述一级冷链(3)在40K时导热系数大于1000W/(m·K)，所述二级冷链(10)在4K时导热系数大于400W/(m·K)。
4.如权利要求1或2或3所述的干式冷却型低温超导材料的性能测试装置，其特征在于，所述样品台(11)通过绝热拉杆(8)连接到辐射阻隔屏(5)顶端。
5.如权利要求4所述的干式冷却型低温超导材料的性能测试装置，其特征在于，所述绝热拉杆(8)为空心结构。
6.如权利要求1所述的干式冷却型低温超导材料的性能测试装置，其特征在于，所述样品台(11)包括过渡板(111)、下冷板(115)、上冷板(116)、加热棒(114)；上冷板(116)与下冷板(115)通过铜质叠加薄片(119)连接，上冷板(116)和下冷板(115)上分别设置用于固定样品的跑道型六瓣孔(112)、测量样品温度的温度探头(113)；二级冷链(10)通过过渡板(111)与低温冷头(2)连接，加热棒(114)安装在过渡板(111)的侧孔中。
7.如权利要求6所述的干式冷却型低温超导材料的性能测试装置，其特征在于，上冷板(116)和下冷板(115)之间设有预紧螺栓(117)，用于固定位于上冷板(116)和下冷板(115)之间的样品。
8.如权利要求7所述的干式冷却型低温超导材料的性能测试装置，其特征在于，所述预紧螺栓(117)为铜材。
9.如权利要求1所述的干式冷却型低温超导材料的性能测试装置，其特征在于，所述样品台(11)上设有加热棒，用于调节样品台的温度。
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| CN114974792B (zh) * | 2022-06-28 | 2023-02-17 | 中国科学院高能物理研究所 | 一种用于超导波荡器的无液氦低温励磁装置 |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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