CN112963498B - 一种10nm级免液氦极低温减振系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种10nm级免液氦极低温减振系统，该系统包括隔振地基Ⅰ、隔振地基Ⅱ、外部循环管路系统、内循环管路系统、制冷机和真空腔体。隔振地基Ⅰ与隔振地基Ⅱ之间设有间隙；隔振地基Ⅰ上设有支撑架，该支撑架上固定有真空腔体顶法兰；真空腔体顶法兰与真空腔体相连，该真空腔体内设有一级冷屏；一级冷屏内设有二级冷屏，该二级冷屏内设有连接在一起的回热换热器、氦池、负载测试平台；隔振地基Ⅱ上设有制冷机支撑架，该制冷机支撑架上固定有制冷机安装法兰；制冷机安装法兰分别与真空腔体顶法兰、制冷机相连，该制冷机与一级冷屏、二级冷屏相连；外部循环管路系统与内循环管路系统、制冷机相连。本发明可有效降低内外环境振动、满足测试需求。

Description

一种10nm级免液氦极低温减振系统

技术领域

本发明涉及10纳米级振动极低温物性测量领域，尤其涉及一种10nm级免液氦极低温减振系统。

背景技术

随着科学技术的不断发展，对材料物性的探测或测试需求越来越强烈，尤其是在小于4.2K以下的极低温环境中的材料物性测量需求越来越多。

现阶段实现低温4.2K以下的低温制冷技术主要有两种，一种是液氦为工质进行减压抽空的系统，该低温系统运行过程中虽然不会带来自身的低温振动，但是运行维护较为复杂，且对氦资源的浪费较为严重；另外一种是以GM制冷机或脉管制冷机为冷源的免液氦低温系统，该系统在运行过程中不会对液氦进行消耗，且后期操作使用较为便利，越来越来受到广大研究者的关注，但是该系统采用了GM制冷机或脉管制冷机作为冷源，在运行过程中存在制冷机自身振动的影响，对于低温系统振动要求高的系统，如原子力高真空材料摩擦测量、激光打靶测试等很难适应。

目前4.2K以下的极低温系统的减振主要是以在制冷机为冷源的冷头处进行处理，以增加柔性导冷带的方法来达到减振目的，但该种方法没有从整套低温系统上进行分析，只能将系统样品处的振动减少到微米量级，不能满足纳米级低温振动测试需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种有效降低内外环境振动、满足测试需求的10nm级免液氦极低温减振系统。

为解决上述问题，本发明所述的一种10nm级免液氦极低温减振系统，其特征在于：该系统包括隔振地基Ⅰ、隔振地基Ⅱ、外部循环管路系统、内循环管路系统、制冷机和真空腔体；所述隔振地基Ⅰ与所述隔振地基Ⅱ之间设有间隙；所述隔振地基Ⅰ上设有支撑架，该支撑架上固定有真空腔体顶法兰；所述真空腔体顶法兰与所述真空腔体相连，该真空腔体内设有一级冷屏；所述一级冷屏内设有二级冷屏，该二级冷屏内设有连接在一起的回热换热器、氦池、负载测试平台；所述隔振地基Ⅱ上设有制冷机支撑架，该制冷机支撑架上固定有制冷机安装法兰；所述制冷机安装法兰分别与所述真空腔体顶法兰、所述制冷机相连，该制冷机分别与所述一级冷屏、所述二级冷屏相连；所述内循环管路系统由回气管Ⅰ、进气管Ⅰ和进气管Ⅱ组成；所述外部循环管路系统由回气软管、回气管Ⅱ、抽空泵、氦气缓冲罐和进气软管组成；所述外部循环管路系统分别与所述内循环管路系统、所述制冷机相连。

所述隔振地基Ⅰ与所述隔振地基Ⅱ高度相同，且二者之间设有8~12mm的间隙。

所述制冷机的一级冷头通过制冷机一级冷头软连接与一级冷屏顶法兰连接，该一级冷屏顶法兰与所述一级冷屏相连，并设有一级冷屏吸附冷阱；所述一级冷屏吸附冷阱与所述进气软管相连。

所述制冷机的二级冷头穿过一级冷屏顶法兰通过制冷机二级冷头软连接与二级冷屏顶法兰连接，该二级冷屏顶法兰与所述二级冷屏相连。

所述制冷机的二级冷头上设有所述进气管Ⅰ，该进气管Ⅰ的一端穿过所述一级冷屏顶法兰与一级冷屏吸附冷阱相连，另一端穿过二级冷屏顶法兰与所述进气管Ⅱ相连。

所述制冷机安装法兰通过制冷机减振软连接与所述真空腔体顶法兰相连。

所述回热换热器上设有所述进气管Ⅱ，该进气管Ⅱ的一端穿过二级冷屏顶法兰并与所述进气管Ⅰ相连，另一端与所述氦池相连；所述氦池通过负载测试平台软连接与所述负载测试平台相连。

与所述二级冷屏顶法兰相连的所述进气管Ⅰ的末端管径形成扩径，且该扩径尺寸大于所述进气管Ⅱ的管径尺寸。

所述回热换热器的外管与所述氦池的入口相接，其内管与所述回气管Ⅰ相连。

所述回气管Ⅱ的一端依次经所述抽空泵、所述氦气缓冲罐与所述进气软管相连，另一端经所述回气软管与所述回气管Ⅰ相连。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明中设有两个隔振地基，且两个隔振地基之间设有间隙，同时制冷机支撑架和支撑架分设在不同的隔振地基上，不但减少了真空腔体与真空腔体顶法兰共同形成的恒温器内部组件等受制冷机振动的影响，而且减少了外界地面振动影响。

2、本发明中外部循环管路系统与内循环管路系统通过进气软管和回气软管进行连接，可避免外部循环管路系统中的泵组工作振动对低温振动测试带来的影响。

3、本发明中制冷机安装法兰通过制冷机减振软连接与真空腔体顶法兰相连，使得制冷机与真空腔体连接形成一个密封的真空腔体，从而减少制冷机振动对真空腔体与真空腔体顶法兰共同形成的恒温器及其内部组件的影响。

4、本发明中设有制冷机一级冷头软连接、制冷机二级冷头软连接，因此，可以有效保证制冷机一级冷头或二级冷头冷量向一级冷屏组件或二级冷屏组件的传输利用，同时又减少了一级冷头或二级冷头的振动对一级冷屏组件或二级冷屏组件的影响。

5、本发明中氦池通过负载测试平台软连接与负载测试平台相连，可进一步减少制冷机振动对负载测试平台的影响，从而将振动减少到10nm级。

6、本发明通过软连接有效降低内外环境振动，从而实现免液氦低温振动系统极低温环境下的10nm级振动物性测试。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图中：1—隔振地基Ⅰ；2—隔振地基Ⅱ；3—回气管Ⅰ；4—回气管Ⅱ；5—进气软管；6—回气软管；7—一级冷屏吸附冷阱；8—制冷机安装法兰；9—制冷机；10—进气管Ⅰ；11—制冷机减振软连接；12—真空腔体顶法兰；13—真空腔体；14—制冷机一级冷头软连接；15—一级冷屏顶法兰；16—制冷机二级冷头软连接；17—二级冷屏顶法兰；18—进气管Ⅱ；19—回热换热器；20—氦池；21—负载测试平台软连接；22—负载测试平台；23—二级冷屏；24—一级冷屏；25—支撑架；26—制冷机支撑架；27—氦气缓冲罐；28—抽空泵。

具体实施方式

如图1所示，一种10nm级免液氦极低温减振系统，该系统包括隔振地基Ⅰ1、隔振地基Ⅱ2、外部循环管路系统、内循环管路系统、制冷机9和真空腔体13。

隔振地基Ⅰ1上设有支撑架25，该支撑架25上固定有真空腔体顶法兰12；真空腔体顶法兰12与真空腔体13相连，该真空腔体13内设有一级冷屏24；一级冷屏24内设有二级冷屏23，该二级冷屏23内设有连接在一起的回热换热器19、氦池20、负载测试平台22；隔振地基Ⅱ2上设有制冷机支撑架26，该制冷机支撑架26上固定有制冷机安装法兰8；制冷机安装法兰8分别与真空腔体顶法兰12、制冷机9相连，该制冷机9分别与一级冷屏24、二级冷屏23相连；内循环管路系统由回气管Ⅰ3、进气管Ⅰ10和进气管Ⅱ18组成；外部循环管路系统由回气软管6、回气管Ⅱ4、抽空泵28、氦气缓冲罐27和进气软管5组成；外部循环管路系统分别与内循环管路系统、制冷机9相连。

其中：隔振地基Ⅰ1与隔振地基Ⅱ2采用同样材质制作，高度相同，且二者之间设有8~12mm的间隙。

真空腔体13的尺寸与测试件的大小相匹配。真空腔体13与真空腔体顶法兰12共同形成恒温器。

回热换热器19通常为套管式换热器，外部管道为回气管道，内部为进气管道。

进气软管5、回气软管6为金属软管。

真空腔体13的底部位于隔振地基Ⅰ1的上方。当考虑拆装时，真空腔体13的底部与隔振地基Ⅰ1之间的间距等于真空腔体13的高度。当不考虑拆装时，仅需使真空腔体13的底部与隔振地基Ⅰ1不接触即可。

制冷机9可以是GM制冷机，也可以是脉管制冷机。

制冷机9的一级冷头通过制冷机一级冷头软连接14与一级冷屏顶法兰15连接，如此既保证了制冷机一级冷头冷量向一级冷屏组件的传输又减少了一级冷头的振动对一级冷屏组件的影响。该一级冷屏顶法兰15与一级冷屏24相连，并设有一级冷屏吸附冷阱7；一级冷屏吸附冷阱7与进气软管5相连。

制冷机9的二级冷头穿过一级冷屏顶法兰15通过制冷机二级冷头软连接16与二级冷屏顶法兰17连接，如此既保证了制冷机二级冷头冷量向二级冷屏组件的传输又减少了二级冷头的振动对二级冷屏组件的影响。该二级冷屏顶法兰17与二级冷屏23相连。

制冷机一级冷头软连接14、制冷机二级冷头软连接16采用具有高低温热导率的紫铜制成的柔性软连接。

制冷机9的二级冷头上设有进气管Ⅰ10，该进气管Ⅰ10的一端穿过一级冷屏顶法兰15与一级冷屏吸附冷阱7相连，另一端穿过二级冷屏顶法兰17与进气管Ⅱ18相连。与二级冷屏顶法兰17相连的进气管Ⅰ10的末端管径形成扩径，且该扩径尺寸大于进气管Ⅱ18的管径尺寸，目的是增大进气在二级冷屏23上的停留时间。

制冷机安装法兰8通过制冷机减振软连接11与真空腔体顶法兰12相连。制冷机减振软连接11为焊接波纹管，且波纹管的通径需满足制冷机冷头法兰的进出。

回热换热器19上设有进气管Ⅱ18，该进气管Ⅱ18的一端穿过二级冷屏顶法兰17并与进气管Ⅰ10相连，另一端与氦池20相连；氦池20通过负载测试平台软连接21与负载测试平台22相连。负载测试平台软连接21采用具有高低温热导率的柔性紫铜箔制成。靠近氦池20附近的进气管Ⅱ18上设有控制阀，目的是调节低温系统气体循环流量。整个系统温度最低的位置位于氦池20的底部。

回热换热器19的外管与氦池20的入口相接，其内管与回气管Ⅰ3相连。

回气管Ⅱ4的一端依次经抽空泵28、氦气缓冲罐27与进气软管5相连，另一端经回气软管6与回气管Ⅰ3相连。氦气缓冲罐27上设有压力表，目的是监测缓冲罐压力。

真空腔体腔体13与一级冷屏24的间距为50mm；一级冷屏24与二级冷屏23的间距为10mm；负载测试平台22设在二级冷屏23底部上方50mm处。

一级冷屏吸附冷阱7、进气管Ⅰ10、进气管Ⅱ18、回热换热器19，形成一个闭循环氦气循环系统，用于极低温实现。

制冷机安装法兰8、制冷机9、制冷机减振软连接11、真空腔体顶法兰12、真空腔体腔体13，形成一个真空腔体，用于实现低温绝热。

一级冷屏顶法兰15和一级冷屏24形成一级冷屏组件，二级冷屏顶法兰17和二级冷屏23形成二级冷屏组件，这两个冷屏组件的主要目的是为了减少系统辐射漏热。

Claims (5)

1.一种10nm级免液氦极低温减振系统，其特征在于：该系统包括隔振地基Ⅰ（1）、隔振地基Ⅱ（2）、外部循环管路系统、内循环管路系统、制冷机（9）和真空腔体（13）；所述隔振地基Ⅰ（1）与所述隔振地基Ⅱ（2）之间设有间隙；所述隔振地基Ⅰ（1）上设有支撑架（25），该支撑架（25）上固定有真空腔体顶法兰（12）；所述真空腔体顶法兰（12）与所述真空腔体（13）相连，该真空腔体（13）内设有一级冷屏（24）；所述一级冷屏（24）内设有二级冷屏（23），该二级冷屏（23）内设有连接在一起的回热换热器（19）、氦池（20）、负载测试平台（22）；所述隔振地基Ⅱ（2）上设有制冷机支撑架（26），该制冷机支撑架（26）上固定有制冷机安装法兰（8）；所述制冷机安装法兰（8）分别与所述真空腔体顶法兰（12）、所述制冷机（9）相连，该制冷机（9）分别与所述一级冷屏（24）、所述二级冷屏（23）相连；所述内循环管路系统由回气管Ⅰ（3）、进气管Ⅰ（10）和进气管Ⅱ（18）组成；所述外部循环管路系统由回气软管（6）、回气管Ⅱ（4）、抽空泵（28）、氦气缓冲罐（27）和进气软管（5）组成；所述外部循环管路系统分别与所述内循环管路系统、所述制冷机（9）相连；所述制冷机（9）的一级冷头通过制冷机一级冷头软连接（14）与一级冷屏顶法兰（15）连接，该一级冷屏顶法兰（15）与所述一级冷屏（24）相连，并设有一级冷屏吸附冷阱（7）；所述一级冷屏吸附冷阱（7）与所述进气软管（5）相连；所述制冷机（9）的二级冷头穿过一级冷屏顶法兰（15）通过制冷机二级冷头软连接（16）与二级冷屏顶法兰（17）连接，该二级冷屏顶法兰（17）与所述二级冷屏（23）相连；所述制冷机安装法兰（8）通过制冷机减振软连接（11）与所述真空腔体顶法兰（12）相连；所述回热换热器（19）上设有所述进气管Ⅱ（18），该进气管Ⅱ（18）的一端穿过二级冷屏顶法兰（17）并与所述进气管Ⅰ（10）相连，另一端与所述氦池（20）相连；所述氦池（20）通过负载测试平台软连接（21）与所述负载测试平台（22）相连；所述回气管Ⅱ（4）的一端依次经所述抽空泵（28）、所述氦气缓冲罐（27）与所述进气软管（5）相连，另一端经所述回气软管（6）与所述回气管Ⅰ（3）相连。

2.如权利要求1所述的一种10nm级免液氦极低温减振系统，其特征在于：所述隔振地基Ⅰ（1）与所述隔振地基Ⅱ（2）高度相同，且二者之间设有8~12mm的间隙。

3.如权利要求1所述的一种10nm级免液氦极低温减振系统，其特征在于：所述制冷机（9）的二级冷头上设有所述进气管Ⅰ（10），该进气管Ⅰ（10）的一端穿过所述一级冷屏顶法兰（15）与一级冷屏吸附冷阱（7）相连，另一端穿过二级冷屏顶法兰（17）与所述进气管Ⅱ（18）相连。

4.如权利要求1所述的一种10nm级免液氦极低温减振系统，其特征在于：与所述二级冷屏顶法兰（17）相连的所述进气管Ⅰ（10）的末端管径形成扩径，且该扩径尺寸大于所述进气管Ⅱ（18）的管径尺寸。

5.如权利要求4所述的一种10nm级免液氦极低温减振系统，其特征在于：所述回热换热器（19）的外管与所述氦池（20）的入口相接，其内管与所述回气管Ⅰ（3）相连。

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