CN116007791A - 一种用于液氦温标平台的样品腔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于液氦温标平台的样品腔，其中，所述液氦温标平台包括：所述样品腔、低温杜瓦、低温恒温系统和超导磁体系统，所述样品腔用于实现在背景磁场下不停机更换样品，所述样品腔包括腔体，样品杆；其中所述腔体安装在顶盖中心，通过其上的热沉与冷屏相连，所述腔体向下延伸至所述加热器，所述样品杆安插在所述样品腔内，底部安装样品架；所述超导磁体系统吊装在所述样品架周围，用于产生背景磁场；其中，所述样品腔为封闭腔体，并且隔绝超导磁体系统的真空环境，为传感器样品的标定提供独立的真空空间，使得样品的更换不影响超导磁体系统的正常运行，提高了温度传感器标定的效率。

Description

一种用于液氦温标平台的样品腔

技术领域

本发明属于核聚变技术、超导低温技术领域，具体涉及一种用于液氦温标平台的样品腔，该样品腔能够作为磁场背景下的液氦温标平台的可不停机替换样品腔。

背景技术

在计量测量科学领域中，温度测量是一个基本的物理量，随着高能物理、超导技术、宇航工程、原子能科学和医学等许多科学技术领域的快速发展，对极低温度下的温度测量也随之提出了新的要求，如准确度高、复现性能好、使用简便、价廉和受磁场影响小等。超低温磁场环境下的温度精确测量与标定是一个重要的问题，直接影响着与之相关的研究领域的发展。

国内的核聚变装置、高能物理加速器装置、先进光源等大科学工程项目中的大型超导磁体都需要配备大型氦低温系统进行冷却，整个装置及其低温系统需要大量的低温温度测量，而目前低温领域使用的最多的美国LakeShore公司的Cernox碳电阻温度计标定后的价格与未标定的价格相差2倍以上。磁场环境下的低温温度测量的温度计也要考虑合适的备选产品，对不同类型的低温温度计开展磁场环境下的超低温温区的测量测试研究，发展与低温测量测试相关的理论研究与工程技术具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有的技术问题，本发明的目的在于提供一种包含在液氦温标平台中的样品腔，可用于磁场背景下液氦温标平台的可不停机换样，节省了复温和再降温的时间，大幅度提高了温度传感器标定的效率。

本发明的技术方案为：

一种用于液氦温标平台的样品腔，所述液氦温标平台包括：所述样品腔、低温杜瓦、低温恒温系统和超导磁体系统；

所述低温杜瓦由外层的真空腔和位于真空腔内的防辐射冷屏组成，其中，所述真空腔由顶盖，筒体以及提供负压的真空机组组成，所述冷屏吊装在所述筒体内；

所述样品腔，用于实现在背景磁场下不停机更换样品，所述样品腔包括腔体，样品杆；其中，所述腔体安装在顶盖中心，通过其上的热沉与冷屏相连，所述腔体向下延伸至加热器，所述样品杆安插在所述样品腔内，底部安装样品架；

所述低温恒温系统，由两台GM制冷机组成，分别安装在所述样品腔两侧，且所述GM制冷机的主体部分延伸至所述真空腔内；

所述超导磁体系统吊装在所述样品架周围，用于产生背景磁场；

其中，所述样品腔为封闭腔体，并且隔绝超导磁体系统的真空环境，为待测传感器的标定提供独立的真空空间，使得样品的更换不影响超导磁体系统的正常运行；

其中，所述腔体主要由无磁不锈钢管、安装法兰、热沉、波纹段、换热器组成，所述无磁不锈钢管为腔体主体，其顶端焊接安装法兰，所述热沉焊接于腔体偏上约1/3处，所述无磁不锈钢管的管壁设置两段波纹段，分别位于热沉上方及下方，所述换热器设置在无磁不锈钢管下方，所述热沉将GM制冷机的冷量传递给腔体，以降低所述顶盖对样品测试区的漏热影响。

进一步的，所述样品杆包括顶盖法兰、航插、拉杆、辐射挡板、安装板；所述样品杆底部通过所述安装板与所述样品架螺纹连接；所述样品架设有待测温度传感器安装孔、校准传感器安装孔、中心高斯计探头安装孔。

进一步的，所述液氦温标平台还包括低温温度传感器，所述低温温度传感器包括待测温度传感器和校准温度传感器，分别安装于所述待测温度传感器孔位、校准传感器孔位中，所述低温温度传感器通过在辐射挡板上开孔进行引线。

进一步的，所述低温温度传感器固定在铜座上，且采用铜外筒作为屏蔽罩，以降低外围温区对低温温度传感器的影响，同时拆卸简单，方便样品的安装和更换；所述铜座底部加装铜丝网，能够使氦气吹扫均匀，从而获得均匀稳定的温度场。

进一步的，所述腔体包括两段波纹段，由此可延长腔体行程，大幅度降低系统漏热。同时减小腔体外管的壁厚，缩小截面积，降低漏热。

进一步的，所述待测温度传感器孔位由内至外每圈之间等距分布，每圈内等角度排列，所述校准传感器孔位径向等距排列。

进一步的，所述拉杆与辐射挡板螺纹连接，方便安装与拆卸，所述辐射挡板错位开孔，便于接线。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明的有益效果在于：

本发明的样品腔可采用多段式结构，连接了两段焊接式波纹段，增加样品腔的固体行程，减小固体漏热，样品腔中间外表面焊接铜热沉座，利用铜编织连接冷屏顶盖，进行热隔断设计，降低样品腔的漏热。抽口回气管路同样采用焊接波纹段和热隔断，降低系统对样品腔的漏热。

本发明的样品腔为一封闭的腔室，隔绝背景场超导磁体系统的真空环境，为传感器样品的标定提供独立的真空空间，使样品的更换不影响背景场超导磁体系统的正常运行；样品腔为封闭独立环境，可实现不停机换样，节省温度标定的时间成本。

本发明的液氦温标平台设置了回温加热器，所述回温加热器安装于真空腔出气口，可以减小温差，防止产生蒸汽冷凝水；回温加热器安装于干泵前，有利于延长使用寿命；可以方便地加装氮气气瓶，进一步加快80K以上的回温速度。

本发明的样品杆的座底部加装金属网，使氦气吹扫均匀，从而获得均匀稳定的温度场。并且，样品杆的拉杆与辐射挡板螺纹连接，方便安装与拆卸，辐射挡板错位开孔，便于接线。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所提供的磁场环境下超流氦温区低温温度标定系统的结构示意图；

图2为样品腔示意图；

图3为样品架示意图。

1—1#GM制冷机，2—预冷管路，3—样品杆，4—2#GM制冷机，5—真空腔，6—冷屏，7—超导磁体，8—样品架，9—加热器，10—冷凝器，11—回热器，12—循环管路，13—1#手动球阀，14—2#手动球阀，15—3#手动针阀，16—4#手动球阀，17—5#手动球阀，18—分子泵，19—循环泵，20—氦气瓶，21—6#手动球阀，22—缓冲罐，23—流量计，24—7#手动球阀，25—8#手动球阀，26—顶盖，27—回温加热器，28—真空腔分子泵，29—闸板阀门，30—吊环，31—航插，32—顶盖法兰，33—安装法兰，34—波纹段1，35—热沉，36—波纹段2，37—无磁不锈钢管，38—辐射挡板，39—拉杆，40—安装板，42—校准传感器安装孔，43—待测温度传感器安装孔，44—中心高斯计探头安装孔。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面对本发明所提供的用于磁场背景下液氦温标平台的可不停机替换样品腔进行详细描述。

如图1所示，一种用于液氦温标平台的样品腔，所述样品腔用于实现磁场背景下液氦温标平台的不停机换样，包括腔体和样品杆3，用于磁场背景下的液氦温标平台。

所述液氦温标平台包括：低温杜瓦、样品腔、低温恒温系统和超导磁体系统，其中，低温杜瓦由外层的真空腔5，位于真空腔内的防辐射冷屏组成，其中，真空腔5由顶盖26和筒体，以及提供负压的真空机组组成，冷屏6吊装在筒体内；

所述样品腔，用于实现在背景磁场下不停机更换样品，所述样品腔包括腔体，样品杆3；其中所述腔体安装在顶盖中心，通过其上的热沉与冷屏相连，所述腔体向下延伸至加热器9，所述样品杆3安插在所述样品腔内，底部设有样品架8；

低温恒温系统，由两台GM制冷机组成，分别安装在所述样品腔两侧，且所述GM制冷机的主体部分延伸至所述真空腔内；

所述超导磁体系统吊装在所述样品架周围，用于产生背景磁场；

其中，所述样品腔为封闭腔体，并且隔绝超导磁体系统的真空环境，为传感器样品的标定提供独立的真空空间，使得样品的更换不影响超导磁体系统的正常运行。

所述低温测量控制设备配置低温温度传感器、压力变送器等测量仪表，以及温控仪、采集控制设备。

其中，所述真空机组包括1条真空回路，2套真空泵组：其中1套循环泵用于氦气循环减压获取1.8K超流氦温区，1套分子泵18用于低温恒温系统及样品腔的真空度抽取及维持。

其中，所述腔体主要由无磁不锈钢管、安装法兰、热沉、波纹段、换热器组成，所述无磁不锈钢管为腔体主体，其顶端焊接安装法兰，所述热沉焊接于腔体偏上约1/3处，所述无磁不锈钢管的管壁设置两段波纹段，分别位于热沉上方及下方，所述换热器设置在无磁不锈钢管下方，所述热沉将GM制冷机的冷量传递给腔体，以降低所述顶盖对样品测试区的漏热影响。

如附图2所示，所述样品杆包括顶盖法兰32、航插31、拉杆39、辐射挡板38、安装板40；所述样品杆底部通过所述安装板40与所述样品架8螺纹连接；所述样品架8设有待测温度传感器安装孔43、校准传感器安装孔42、中心高斯计探头安装孔44。

所述液氦温标平台还包括低温温度传感器，所述低温温度传感器包括待测温度传感器和校准温度传感器，分别安装于所述待测温度传感器安装孔43、校准传感器安装孔42中，如图3所示。所述低温温度传感器通过在辐射挡板38上开孔进行引线。

其中，所述低温温度传感器固定在铜座上，采用铜外筒作为屏蔽罩，以降低外围温区对低温温度传感器的影响，所述铜座底部加装铜丝网，能够使氦气吹扫均匀，从而获得均匀稳定的温度场。

进一步地，本发明的实施例的样品腔采用多段式结构，连接了两段焊接式波纹段，增加样品腔的固体行程，减小固体漏热，样品腔中间外表面焊接铜热沉座，利用铜编织连接冷屏顶盖，进行热隔断设计，降低样品腔的漏热。抽口回气管路同样采用焊接波纹段和热隔断，降低系统对样品腔的漏热。

本发明的实施例的样品腔为一封闭的腔室，隔绝背景场超导磁体系统的真空环境，为传感器样品的标定提供独立的真空空间，使样品的更换不影响背景场超导磁体系统的正常运行。由于本发明的实施例的样品腔为封闭独立环境，因此可以实现不停机换样，节省温度传感器标定的时间成本。

此外，本发明的实施例的液氦温标平台还设置了回温加热器27，所述回温发热器27安装于出气口，可以减小温差，防止产生蒸汽冷凝水。所述回温加热器安装于循环泵19前，有利于延长使用寿命；优选地，可以在缓冲罐22外额外加装氮气瓶，进一步加快80K以上的回温速度。

本发明的实施例的样品杆3的座底部加装金属网，使氦气吹扫均匀，从而获得均匀稳定的温度场。样品杆3的拉杆与辐射挡板螺纹连接，方便安装与拆卸，辐射挡板错位开孔，便于接线。

具体地，本发明所述用于磁场背景下液氦温标平台的可不停机替换样品腔的工作过程可包括以下步骤：

1、真空腔及样品腔抽空

开启真空腔分子泵28和闸板阀门29，首先对真空腔5进行抽空，待真空腔5的真空度到0.5(常温下)关闭闸板阀门29，维持真空腔5的真空度。开启分子泵18、打开8#手动球阀25、7#手动球阀24、2#手动球阀14、1#手动球阀13、3#手动针阀15、5#手动球阀17，再对样品腔、外部管路、内部管路的缓冲罐22进行抽真空，待样品腔真空度到0.1Pa(常温下)，关闭7#手动球阀24、1#手动球阀13、3#手动针阀15、4#手动球阀16、5#手动球阀17的阀门。通过高压氦气瓶往缓冲罐22内补入氦气，之后关闭6#手动球阀21。第二次开启分子泵18、打开8#手动球阀25、7#手动球阀24、2#手动球阀14、1#手动球阀13、3#手动针阀15、5#手动球阀17，再对样品腔、外部管路、内部管路的缓冲罐22进行抽真空，待样品腔真空度到0.1Pa(常温下)，关闭7#手动球阀24、1#手动球阀13、3#手动针阀15、4#手动球阀16、5#手动球阀17的阀门。

2、氦气补入及循环

通过高压氦气瓶往缓冲罐22内补入微正压氦气(1.1bara)，之后关闭6#手动球阀21。开启循环泵19，氦气经由8#手动球阀25进行高温回路进行循环，待样品腔温度为4.2K时，关闭8#手动球阀25，开启7#手动球阀24，进行低温回路循环。

3、制冷机降温循环预冷

同时开启2#GM制冷机4和1#GM制冷机1两台制冷机进行降温，保持循环泵19循环，最终磁体温度降到4K左右；样品腔温度为1.8K，样品架上排布的低温温度传感器读数均为1.8K。

4、加热控温1(1.8K-4.2K)

待温度降到最低后，样品腔的温度为1.8K，温度稳定后对待标定传感器的进行标定。然后，通过加热器9对出口氦气进行加热，从而在1.8K-4.2K温度范围内对待标定传感器进行标定。

5、样品腔复温、复压

关闭1#GM制冷机1，磁体断电，打开2#手动球阀14、8#手动球阀25，开启加热器9、复温加热器27，加热管路中氦气对腔体进行回温至300K，打开4#手动球阀16，开启分子泵18，控制样品腔内压力回到常压，之后气体回路停机；

6、更换样品腔

待样品架底部传感器标定完成后，取出腔体内样品杆3，快速插入另外一套带有传感器的样品杆，安装完毕后，重复上述步骤，对其进行标定。

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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种用于液氦温标平台的样品腔，所述液氦温标平台包括：所述样品腔、低温杜瓦、低温恒温系统和超导磁体系统，其特征在于：

所述低温杜瓦由外层的真空腔和位于真空腔内的防辐射冷屏组成，其中，所述真空腔由顶盖，筒体以及提供负压的真空机组组成，所述冷屏吊装在所述筒体内；

所述样品腔，用于实现在背景磁场下不停机更换样品，所述样品腔包括腔体，样品杆；其中所述腔体安装在顶盖中心，通过其上的热沉与冷屏相连，所述腔体向下延伸至所述加热器，所述样品杆安插在所述样品腔内，底部安装样品架；

所述低温恒温系统，由两台GM制冷机组成，分别安装在所述样品腔两侧，且所述GM制冷机的主体部分延伸至所述真空腔内；

所述超导磁体系统吊装在所述样品架周围，用于产生背景磁场；

其中，所述样品腔为封闭腔体，并且隔绝超导磁体系统的真空环境，为待测传感器的标定提供独立的真空空间，使得样品的更换不影响超导磁体系统的正常运行；

其中，所述腔体主要由无磁不锈钢管、安装法兰、热沉、波纹段、换热器组成，所述无磁不锈钢管为腔体主体，其顶端焊接安装法兰，所述热沉焊接于腔体偏上约1/3处，所述无磁不锈钢管的管壁设置两段波纹段，分别位于热沉上方及下方，所述换热器设置在无磁不锈钢管下方，所述热沉将GM制冷机的冷量传递给腔体，以降低所述顶盖对样品测试区的漏热影响。

2.根据权利要求1所述的一种用于液氦温标平台的样品腔，其特征在于：所述样品杆包括顶盖法兰、航插、拉杆、辐射挡板、安装板；所述样品杆底部通过所述安装板与所述样品架螺纹连接；所述样品架设有待测温度传感器安装孔、校准传感器安装孔、中心高斯计探头安装孔。

3.根据权利要求2所述的一种用于液氦温标平台的样品腔，其特征在于：所述液氦温标平台还包括低温温度传感器，所述低温温度传感器包括待测温度传感器和校准温度传感器，分别安装于所述待测温度传感器孔位、校准传感器孔位中，所述低温温度传感器通过在所述辐射挡板上开孔进行引线。

4.根据权利要求3所述的一种用于液氦温标平台的样品腔，其特征在于：所述低温温度传感器固定在铜座上，且采用铜外筒作为屏蔽罩，以降低外围温区对低温温度传感器的影响，所述铜座底部加装铜丝网，能够使氦气吹扫均匀，从而获得均匀稳定的温度场。

5.根据权利要求1所述的一种用于液氦温标平台的样品腔，其特征在于：所述腔体包括两段波纹段。

6.根据权利要求3所述的一种用于液氦温标平台的样品腔，其特征在于：所述待测温度传感器孔位由内至外每圈之间等距分布，每圈内等角度排列，所述校准传感器孔位径向等距排列。

7.根据权利要求3所述的一种用于液氦温标平台的样品腔，其特征在于：所述拉杆与辐射挡板螺纹连接，所述辐射挡板错位开孔。

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