CN117299242A - 一种亚k超低震动超低温系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种亚K超低震动超低温系统，包括制冷系统、低温真空腔以及气体循环系统；所述制冷系统包括氦气压缩机与制冷机，所述低温真空腔包括真空壳体、冷屏、冷板以及插芯，所述气体处理系统包括储气罐与真空泵组，所述制冷系统通过超绝热柔性管线与柔性波纹管与所述低温真空腔形成一路闭合气体回路，所述气体循环系统与所述低温恒温腔通过柔性波纹管连接形成另一路闭合气体回路。本发明具有如下的有益效果，本发明在提供初级冷量的基础上通过泵抽1K罐中的氦来液化氦气的方式，进行二次降温，从而达到亚K低温；当一级冷板温度低于5K时，热开关自动与二级冷板分离，在气体循环系统的驱动下，使1K罐迅速降温。

Description

一种亚K超低震动超低温系统

技术领域

本发明是一种亚K超低震动超低温系统，属于超低温实验装置领域。

背景技术

亚K低温即温度小于1K的超低温环境。在很多前沿物理研究中，超低温环境能够最大程度地减少热噪声从而获得更好的信噪比，以此提高测试结果的准确性。

目前能长时间稳定工作的超低温系统主要是连续型He-3恒温器和稀释制冷机两种，都需要使用昂贵无放射性He-3。此外，仅利用制冷机的设计无法获得亚K环境，并且由于制冷机自身设计的局限性，制冷机工作时产生的震动在微米量级，无法满足对震动敏感的实验需求。

基于以上现状，需要一种亚K超低震动超低温系统，既能提供亚K超低温环境，又能将震动水平降低至纳米量级来解决当前面临的问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种亚K超低震动超低温系统。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

一种亚K超低震动超低温系统，包括制冷系统、低温真空腔以及气体循环系统，所述制冷系统包括氦气压缩机与制冷机，所述制冷机上设有减震组件与冷头，所述减震组件位于所述冷头的上方，所述氦气压缩机与所述冷头连接，所述制冷机上设有超绝热柔性管线与波纹管，所述超绝热柔性管线与所述波纹管两者与所述低温真空腔连接，所述低温真空腔与所述气体循环系统连接。

进一步地，所述低温真空腔包括真空壳体、冷屏、冷板以及插芯，所述真空壳体、所述冷屏、所述冷板以及所述插芯四者由外至内依次设置，所述真空壳体的顶部设有安装法兰，所述插芯位于所述真空壳体的内中部，所述冷板安装在所述插芯的外侧，所述冷屏安装在所述冷板的底部，所述插芯的底部安装有1K罐，所述1K罐为中空结构，所述1K罐上连接有出气管路，所述出气管路的下端为不锈钢管，所述出气管路的上端为波纹管，所述出气管路的上端贯穿至所述安装法兰的上方与抽气口连接，所述抽气口与所述气体循环系统连接，所述插芯的顶端贯穿至所述安装法兰的上方与三通管连接，所述三通管与所述超绝热柔性管线、所述波纹管以及所述气体循环系统连接。

进一步地，所述冷板由一级冷板、二级冷板、三级冷板自下而上组成，所述三级冷板与所述二级冷板两者固定在所述插芯的外表面，所述一级冷板安装在所述1K罐的底部，所述一级冷板上安装有热开关，所述热开关与所述二级冷板接触。

进一步地，所述一级冷板、所述二级冷板、所述三级冷板三者从下至上依次设置，且三者的直径自下而上依次增大。

进一步地，所述冷屏由一级冷屏与二级冷屏组成，所述一级冷屏位于所述二级冷屏的内部，所述一级冷屏安装在所述二级冷板的底部，所述二级冷屏安装在所述三级冷板的底部。

进一步地，所述真空壳体由真空外壳一与真空外壳二组成，所述真空外壳一位于所述真空外壳二的上方。

进一步地，所述安装法兰上连接有电学接口与抽真空口，所述电学接口一端与所述低温真空腔内的温度计和加热器连接，所述电学接口的另一端与温度指示器和温控仪连接，所述抽真空口的两端分别连通所述低温真空腔的内部腔体以及外置泵组。

进一步地，所述气体循环系统包括储气罐与真空泵组，所述储气罐与所述真空泵组连通，所述真空泵组上连通有进气管，所述储气罐上设有出气管，所述进气管与所述抽气口连通，所述出气管与所述三通管连通，所述储气罐、所述真空泵组、所述出气管、所述进气管四者与所述低温真空腔之间构成闭合气体回路。

进一步地，所述三通管上设有入口、 出口 、进气口，所述入口与所述超绝热柔性管线连通，所述出口与所述波纹管连通，所述进气口与所述出气管连通；气体循环系统中的氦气在循环泵的作用下，将1K罐内的氦抽出，依次经过出气管路、抽气口、进气管进入到储气罐内部，再经由出气管进入进气口，再进入插芯，进而重新进入1K罐内，如此循环。

进一步地，所述插芯的芯层带有底板，所述底板与所述二级冷板位于同一水平位置，所述芯层嵌入所述超绝热柔性管线的插头，所述插芯的中间层与所述进气口连通。

本发明的有益效果，

本发明在制冷系统提供初级冷量的基础上通过泵抽来液化氦气的方式进行二次降温，从而达到亚K低温；制冷系统的冷头处增加减震设计，与低温真空腔通过超绝热柔性管线和柔性波纹管连接，大大降低了低温真空腔的震动水平；当一级冷板温度低于5K时，热开关自动与二级冷板分离，在气体循环系统的驱动下，使1K罐迅速降温。

低温真空腔与制冷系统相互独立，中间以超绝热柔性管线和波纹管连接，并在制冷机的冷头处增加减震设计，以及出气管路中波纹管的减震设计，使低温真空腔的震动水平降低至＜10nm；在制冷系统提供＜1.8K的初级冷量基础上，通过气体循环系统泵抽1K罐进行二次降温，低温真空腔不需要消耗液氦即可降至＜900mK；当一级冷板温度低于5K时，热开关自动与二级冷板分离，在气体循环系统的驱动下，泵抽1K罐内的氦，使1K罐迅速降温。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显，

图1为本发明一种亚K超低震动超低温系统的立体结构示意图；

图2为本发明一种亚K超低震动超低温系统的低温真空腔结构示意图。

图中，1、制冷系统；2、低温真空腔；3、气体循环系统；11、压缩机；12、制冷机；121、冷头；122、减震组件；123、超绝热柔性管线；124、波纹管；21、安装法兰；22、真空外壳一；23、真空外壳二；24、二级冷屏；25、一级冷屏；26、三级冷板；27、二级冷板；28、一级冷板；29、插芯；210、1K罐；211、出气管路；212、三通管；213、入口；214、出口；215、进气口；216、电学接口；217、抽真空口；218、抽气口；219、热开关；31、储气罐；32、真空泵组；33、进气管；34、出气管。

具体实施方式

为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，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

请参阅图 1-2，本发明提供一种亚K超低震动超低温系统技术方案，一种亚K超低震动超低温系统，包括制冷系统1、低温真空腔2以及气体循环系统3，所述制冷系统1包括氦气压缩机11与制冷机12，所述制冷机12上设有减震组件122与冷头121，所述减震组件122位于所述冷头121的上方，所述氦气压缩机11与所述冷头121连接，保证制冷机12正常工作，为低温真空腔2提供初始冷量，所述制冷机12上设有超绝热柔性管线123与波纹管124，所述超绝热柔性管线123与所述波纹管124两者与所述低温真空腔2连接，所述超绝热柔性管线123的内部导管被超绝热材料包裹，可以有效降低室温热辐射的影响，外部以柔性不锈钢波纹管作为保护层，降低了震动的传递，所述低温真空腔2与所述气体循环系统3连接。

参阅图 1-2，所述低温真空腔2包括真空壳体、冷屏、冷板以及插芯29，所述真空壳体、所述冷屏、所述冷板以及所述插芯29四者由外至内依次设置，所述真空壳体的顶部设有安装法兰21，所述插芯29位于所述真空壳体的内中部，所述插芯29为同心柱状结构，所述冷板安装在所述插芯29的外侧，所述冷屏安装在所述冷板的底部，所述插芯29的底部安装有1K罐210，所述1K罐210为中空结构，内部可存有氦气、液氦及其混合物，所述1K罐210上连接有出气管路211，所述出气管路211下端为不锈钢管，上端为波纹管，其目的是为了抵消从1K罐210出来的氦因温度骤增带来的体积变化，也在一定程度上降低了低温真空腔2的震动，所述出气管路211的上端贯穿至所述安装法兰21的上方与抽气口218连接，所述抽气口218与所述气体循环系统3连接，所述插芯29的顶端贯穿至所述安装法兰21的上方与三通管212连接，所述三通管212与所述超绝热柔性管线123、所述波纹管124以及所述气体循环系统3连接。

参阅图 1-2 ，所述冷板由一级冷板28、二级冷板27、三级冷板26自下而上组成，一级冷板28温度可达1K，二级冷板27温度可达2K，三级冷板26温度可达40K，所述三级冷板26与所述二级冷板27两者固定在所述插芯29的外表面，所述插芯29的芯层带有底板，与二级冷板27在同一水平位置，芯层嵌入超绝热柔性管线123的插头，中间层流通进气口215进入的氦气，所述一级冷板28安装在所述1K罐210的底部，所述一级冷板28上安装有热开关219，所述热开关219与所述二级冷板27接触，热开关219为气体型机械热开关，内部密封有气体介质，通过气体的热胀冷缩来实现与二级冷板27的接触、分离，当温度高于5K时气体分子间距大，热开关219与二级冷板27接触，把二级冷板27的冷量传递给一级冷板28，当温度低于5K时分子间距变小，热开关219与二级冷板27分离，所述一级冷板28、所述二级冷板27、所述三级冷板26三者从下至上依次设置，且三者的直径自下而上依次增大，其材质为镀金无氧铜。

参阅图 1-2，所述冷屏由内外两层高抛光铝组成，由一级冷屏25与二级冷屏24组成，并经过高抛光工艺处理，所述一级冷屏25位于所述二级冷屏24的内部，可减少室温热辐射对低温真空腔2温度的影响，所述一级冷屏25和所述二级冷屏24为圆柱套筒结构，所述一级冷屏25直径小于所述二级冷屏24直径，所述一级冷屏25安装在所述二级冷板27的底部，所述二级冷屏24安装在所述三级冷板26的底部。

参阅图 1-2，所述真空壳体由真空外壳一22与真空外壳二23组成，所述真空外壳一22位于所述真空外壳二23的上方，所述真空外壳一22的直径大于所述真空外壳二23直径，所述真空壳体内部均为真空环境，所述安装法兰21上连接有电学接口216与抽真空口217，可根据测试需要增加盲板口作为测试引线的接口或其他备用接口，所述电学接口216一端与所述低温真空腔2内的温度计和加热器连接，所述电学接口216的另一端与温度指示器和温控仪连接，所述抽真空口217的两端分别连通所述低温真空腔2的内部腔体以及外置泵组，对低温真空腔2内部腔体抽真空。

参阅图 1-2，所述气体循环系统3包括储气罐31与真空泵组32，二者内置于可移动机柜中，所述储气罐31与所述真空泵组32连通，所述真空泵组32上设有进气管33，所述储气罐31上连通有出气管34，所述进气管33与所述抽气口218连通，所述出气管34与所述三通管212连通，所述储气罐31、所述真空泵组32、所述出气管34、所述进气管33四者与所述低温真空腔2之间构成闭合气体回路，所述储气罐31存有氦4气体，氦4气体在闭合气体回路内流动，循环泵组为氦4气体循环提供驱动力，且，通过储气罐31上的阀门调节气路中氦气的通量。

参阅图 1-2，所述三通管212上设有入口213、 出口 214、进气口215，所述入口213与所述超绝热柔性管线123连通，所述出口214与所述波纹管124连通，所述进气口215与所述出气管34连通。

系统工作时，首先对低温真空腔2进行抽真空，具体为启动外置泵组通过抽真空口泵抽真空腔，待真空度达到10^-4mbar时，启动制冷系统；其次，对低温真空腔2进行初级降温，打开压缩机11和制冷机12电源，氦气经过制冷机12的液化和针阀的截流，通过超绝热柔性管线123及入口213进入插芯29，同时打开储气罐31阀门向低温真空腔2内填充氦气，待一级冷板28温度达到5K时，热开关会自动与二级冷板27分离，最后，对低温真空腔2进行二次降温，启动气体循环系统3的循环泵，泵抽1K罐210内的氦，直至1K罐210温度降到小于900mK，整个系统初次降温需要约6小时，在连续运行状态下，进行换样操作时仅需要小于4小时即可降到最低温，整套系统运行中不需要消耗液氦，仅需要电能，循环利用氦气即可达到超低温环境。

虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种亚K超低震动超低温系统，包括制冷系统（1）、低温真空腔（2）以及气体循环系统（3），其特征在于：所述制冷系统（1）包括氦气压缩机（11）与制冷机（12），所述制冷机（12）上设有减震组件（122）与冷头（121），所述减震组件（122）位于所述冷头（121）的上方，所述氦气压缩机（11）与所述冷头（121）连接，所述制冷机（12）上设有超绝热柔性管线（123）与波纹管（124），所述超绝热柔性管线（123）与所述波纹管（124）两者与所述低温真空腔（2）连接，所述低温真空腔（2）与所述气体循环系统（3）连接。

2.根据权利要求1所述的一种亚K超低震动超低温系统，其特征在于，所述低温真空腔（2）包括真空壳体、冷屏、冷板以及插芯（29），所述真空壳体、所述冷屏、所述冷板以及所述插芯（29）四者由外至内依次设置，所述真空壳体的顶部设有安装法兰（21），所述插芯（29）位于所述真空壳体的内中部，所述冷板安装在所述插芯（29）的外侧，所述冷屏安装在所述冷板的底部，所述插芯（29）的底部安装有1K罐（210），所述1K罐（210）为中空结构，所述1K罐（210）上连接有出气管路（211），所述出气管路（211）的下端为不锈钢管，所述出气管路（211）的上端为波纹管，所述出气管路（211）的上端贯穿至所述安装法兰（21）的上方与抽气口（218）连接，所述抽气口（218）与所述气体循环系统（3）连接，所述插芯（29）的顶端贯穿至所述安装法兰（21）的上方与三通管（212）连接，所述三通管（212）与所述超绝热柔性管线（123）、所述波纹管（124）以及所述气体循环系统（3）连接。

3.根据权利要求2所述的一种亚K超低震动超低温系统，其特征在于，所述冷板由一级冷板（28）、二级冷板（27）、三级冷板（26）自下而上组成，所述三级冷板（26）与所述二级冷板（27）两者固定在所述插芯（29）的外表面，所述一级冷板（28）安装在所述1K罐（210）的底部，所述一级冷板（28）上安装有热开关（219），所述热开关（219）与所述二级冷板（27）接触。

4.根据权利要求3所述的一种亚K超低震动超低温系统，其特征在于，所述一级冷板（28）、所述二级冷板（27）、所述三级冷板（26）三者从下至上依次设置，且三者的直径自下而上依次增大。

5.根据权利要求3所述的一种亚K超低震动超低温系统，其特征在于，所述冷屏由一级冷屏（25）与二级冷屏（24）组成，所述一级冷屏（25）位于所述二级冷屏（24）的内部，所述一级冷屏（25）安装在所述二级冷板（27）的底部，所述二级冷屏（24）安装在所述三级冷板（26）的底部。

6.根据权利要求2所述的一种亚K超低震动超低温系统，其特征在于，所述真空壳体由真空外壳一（22）与真空外壳二（23）组成，所述真空外壳一（22）位于所述真空外壳二（23）的上方。

7.根据权利要求2所述的一种亚K超低震动超低温系统，其特征在于，所述安装法兰（21）上连接有电学接口（216）与抽真空口（217），所述电学接口（216）一端与所述低温真空腔（2）内的温度计和加热器连接，所述电学接口（216）的另一端与温度指示器和温控仪连接，所述抽真空口（217）的两端分别连通所述低温真空腔（2）的内部腔体以及外置泵组。

8.根据权利要求3所述的一种亚K超低震动超低温系统，其特征在于，所述气体循环系统（3）包括储气罐（31）与真空泵组（32），所述储气罐（31）与所述真空泵组（32）连通，所述真空泵组（32）上连通有进气管（33），所述储气罐（31）上设有出气管（34），所述进气管（33）与所述抽气口（218）连通，所述出气管（34）与所述三通管（212）连通，所述储气罐（31）、所述真空泵组（32）、所述出气管（34）、所述进气管（33）四者与所述低温真空腔（2）之间构成闭合气体回路。

9.根据权利要求8所述的一种亚K超低震动超低温系统，其特征在于，所述三通管（212）上设有入口（213）、 出口 （214）、进气口（215），所述入口（213）与所述超绝热柔性管线（123）连通，所述出口（214）与所述波纹管（124）连通，所述进气口（215）与所述出气管（34）连通。

10.根据权利要求9所述的一种亚K超低震动超低温系统，其特征在于，所述插芯（29）的芯层带有底板，所述底板与所述二级冷板（27）位于同一水平位置，所述芯层嵌入所述超绝热柔性管线（123）的插头，所述插芯（29）的中间层与所述进气口（215）连通。