[发明专利]极低振动氦气蓄冷系统

说明书

本发明涉及低温技术领域，特别涉及一种极低振动氦气蓄冷系统，包括氦腔、制冷机以及与制冷机相连的压缩机；所述氦腔内部呈中空状形成用于容纳氦气的腔室，氦腔的一端与制冷机的冷头相连，另一端与样品安装座相连，待测试样品固定安装在样品安装座上；同时还公开了其控制方法。通过设置氦腔，制冷机停机后，利用氦腔中的低温氦气向样品提供冷量而不影响被冷却样品温度状态，主要振源消失，振动大大降低，使得被冷却样品位置的稳定性满足测试要求，同时，该系统使用普通的制冷机即可，无需使用低振动的制冷机，也无需采用柔性传热结构，大大降低了成本。

技术领域

本发明涉及低温技术领域，特别涉及一种极低振动氦气蓄冷系统。

背景技术

随着科学技术的不断深入发展，极端条件下(如超低温、极低振动条件)的科学研究越来越受到科研人员的重视。目前市场上存在成熟的4K G-M制冷机以及脉冲管制冷机，使得将样品冷却至4.2K相比使用液氦变得更加简单，然而，不管是G-M制冷机还是脉冲管制冷机，自身的振动都不可避免地对冷却样品的位置产生影响，这些振动一般来源于四个方面：(1)制冷机冷头电机运转带来振动；(2)制冷机冷头气缸往复运动带来振动；(3)压缩机运转带来振动；(4)压缩机与冷头之间的氦管由于气体流动带来振动。脉冲管制冷机相比较G-M制冷机而言，由于低温部分没有运动部件，其振动相对较小。

在采用X射线对冷冻靶球进行相衬表征的惯性约束核聚变系统中，要求冷冻靶球位置稳定性在1微米甚至更小，如果采用G-M制冷机或脉冲管制冷机对冷冻靶球进行降温，无法达到如此低的振幅要求。为了避免上述问题，现有的做法一般有两种：其一，采用柔性传热结构，定制合适结构的制冷机，减小制冷机振动对靶球位置稳定性的影响；其二，采用比G-M制冷机和脉冲管制冷机振动小的制冷机，比如J-T循环制冷机或逆布雷顿循环制冷机。前面一个方案中，定制型制冷机和柔性传热结构会带来成本的大幅增加；后一个方案中，J-T循环制冷机或逆布雷顿循环制冷机的价格非常高，也会导致系统成本的增加。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种极低振动氦气蓄冷系统，满足极低振动需求下的样品检测。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种极低振动氦气蓄冷系统，包括氦腔、制冷机以及与制冷机相连的压缩机；所述氦腔内部呈中空状形成用于容纳氦气的腔室，氦腔的一端与制冷机的冷头相连，另一端与样品安装座相连，待测试样品固定安装在样品安装座上。该极低振动氦气蓄冷系统还包括充气管，充气管的一端与氦腔的腔室连通，另一端通过减压阀与高纯氦气瓶相连或者通过流量调节器与制冷机和压缩机之间的管道相连。所述的制冷机包括一级冷头和二级冷头，氦腔与二级冷头相连；所述的充气管为不锈钢管，充气管沿着一级冷头的换热器布置并环绕二级冷头的气缸多圈后再与氦腔相连。

进一步地，所述的氦腔包括呈圆管状的氦腔本体，氦腔本体的两端通过盲盖密封形成所述腔室，氦腔本体和盲盖均为无氧铜材质制成；其中一个盲盖与制冷机的二级冷头固定连接，样品安装座通过热阻垫片固定在另一个盲盖上。

进一步地，所述的样品安装座上设置有第一薄膜加热器用于对样品的温度进行控制，二级冷头上设置有第二薄膜加热器用于调节制冷量；所述的样品安装座上还设置有温度传感器，控制单元接收温度传感器采集到的实际温度信息并将实际温度与设定温度对比后控制第一薄膜加热器工作。

进一步地，所述充气管的另一端通过减压阀与高纯氦气瓶相连；一级冷头远离二级冷头的一端设置有第一连接法兰，二级冷头、氦腔、样品安装座和样品外侧套设有第一防辐射屏，一级冷头和第一防辐射屏外侧包扎有单面镀铝薄膜，单面镀铝薄膜外侧套设有外壳，外壳呈一端开口的桶装且其开口一端固定在第一连接法兰上。

进一步地，所述充气管的另一端通过流量调节器与制冷机和压缩机之间的管道相连；二级冷头靠近一级冷头的一端设置有第二连接法兰，二级冷头、氦腔、样品安装座以及样品外侧套设有第二防辐射屏，第二防辐射屏固定在第二连接法兰上，流量调节器、制冷机以及第二防辐射屏均置于恒温器中。