[发明专利]一种用于大口径封闭循环液氦浸泡杜瓦的插件

说明书

本发明公开了一种用于大口径封闭循环液氦浸泡杜瓦的插件，包括：法兰板、真空腔、热传导结构和径向防辐射屏；真空腔包括内筒，外筒和底板；热传导结构位于内筒与外筒之间，用于连接内筒与外筒，且作为轴向防辐射板；径向防辐射屏环绕于二级冷头设置在所述热传导结构下方，径向防辐射屏的底部热沉底板。本发明通过在插件顶部设置真空腔，在真空腔内设置热沉于液氦池的径向防辐射屏，减少二级冷头因为热传导而损失的冷量，确保二级冷头的工作温度低于氦液化温度，且有足够的冷量用来液化低温氦气；通过在插件顶部真空腔内设置热传导结构，利用一级冷头富余冷量冷却真空腔外筒，减小其在液氦面附近的温度梯度，降低液氦的挥发量。

技术领域

本发明属于制冷与低温容器技术领域，更具体地，涉及一种用于大口径封闭循环液氦浸泡杜瓦的插件。

背景技术

对于需要在低温下工作的仪器，杜瓦是不可或缺的组成部分。杜瓦又称低温恒温器(cryostat)，其基本功能是减少外部环境到内部仪器工作空间的热量传递，为仪器提供稳定的低温条件。维持低温条件的基本方法有两种。一种方法是在杜瓦中存储低温液体，如液氦、液氮，将仪器浸泡在低温液体中，利用低温液体缓慢蒸发的冷量来维持低温，这类杜瓦称为液氦浸泡型杜瓦，其优点是结构简单，温度相对稳定，空间均匀性好，但需要不断补充低温液体，补液时产生的振动与温度波动会干扰仪器运行，不利于仪器持续稳定工作。另一种方法是使用低温致冷机(cryocooler)，将其冷头冷量传递给仪器，将仪器冷却到低温并予以维持，因此，不需要补充低温液体，但系统复杂。

在一些应用领域，如超导重力仪等，仪器需要在液氦温度下不受干扰地持续工作，维护周期以年计；同时要求温度波动小，温度的空间均匀性好。在这种情况下，需要结合上述两种方法的优点，采用带冷头的液氦浸泡型杜瓦，并利用冷头冷量将杜瓦内蒸发的氦气重新液化，实现低温介质在杜瓦内的封闭循环。通常方法将仪器吊装在杜瓦插件上，浸泡在液氦中，同时在杜瓦法兰板上安装冷头。美国GWR Instruments Inc.就是采用这种方法，为其超导重力仪提供长期稳定的低温条件。这类杜瓦可称为自制冷封闭循环液氦浸泡型杜瓦。

实现液氦封闭循环所需的冷量由制冷机冷头提供。在目前技术条件下，需使用两级冷头。一级冷头的工作温度较高，制冷功率大；而二级冷头的工作温度低，制冷功率小。以住友系列制冷机为例，一级冷头工作在40K-65K之间，制冷功率最高可达40W；二级冷头一般工作在4.2K，制冷功率最大为1.5W。同时，一级冷头与常温安装板(一般为杜瓦法兰板)之间的距离，以及一级冷头与二级冷头之间的距离都较小，在10cm-30cm之间，因此，冷头轴向的温度梯度大。实现液氦的封闭循环，要求具备以下两个基本条件：(1)至少有一个冷头(称为低温冷头，一般为二级冷头)能达到氦液化以下温度，并能稳定维持，使低温氦气能重新液化；(2)低温冷头可以用来进行氦气液化的冷量必须大于传递到液氦池的总热量，这样才能实现液氦的持久封闭循环。

从上面描述中可以看出，二级冷头的功率有限，且有一部分冷量会向一级冷头方向传递，因此，优化杜瓦结构，做好二级冷头的冷量管理，对自制冷封闭循环液氦浸泡型杜瓦设计非常重要。在冷量管理中，杜瓦的开口尺寸(下面称为杜瓦口径)是一个重要参数，口径越小，沿杜瓦内壁的固体传热越少；对于封闭循环杜瓦，冷头处于1个大气压的氦气环境中，口径小，二级冷头由于气体分子传导造成的冷量损失也少。因此，在杜瓦设计中，应尽可能减小杜瓦口径。正因为如此，GWR超导重力仪的杜瓦口径非常接近冷头尺寸。但是，杜瓦口径不是可随意设计的参数，低温仪器必须通过杜瓦瓶口装入杜瓦内，冷头也是通过杜瓦瓶口安装在杜瓦中，因此杜瓦口径必须同时大于冷头直径与待安装仪器的直径。

现有技术中，在某些情况下，仪器尺寸显著大于冷头尺寸，导致杜瓦口径显著大于可选配的冷头直径，二级冷头的冷量损失严重，构成液氦封闭循环的严重障碍。

发明内容