[发明专利]一种1K液池、其液氦制冷系统及降低极限温度的方法

说明书

本发明提供了一种1K液池、其液氦制冷系统及降低极限温度的方法。所述1K液池是用来储存液体并通过真空泵降低液面处的饱和蒸汽压，将温度降至1K；所述1K液池包括液氦进入口、液池腔、限膜流孔、液氦抽口。结合超流爬行膜爬升高度、真空泵抽速、1K液池处的饱和蒸气压推导发现，适当开大抽口直径而不是单一的限制超流膜抽口尺寸对降低1K系统的最低温度更加有利。在常规使用情况下，可以根据系统的实际情况尽可能的开大1K液池近端的抽口(半径不大于2.2cm即可)。

技术领域

本发明属于实验物理领域，具体涉及一种1K液池、其液氦制冷系统及降低极限温度的方法。

背景技术

在实验物理中，经常使用液氦作为冷媒对系统进行减压制冷，因液氦-氦气最低温度与饱和蒸气压相关，故通常情况下会利用降低工作点处氦气的压力使得系统处于较低的氦饱和蒸气压处，进而达到更低的温度。液氦还具有一个特殊的性质，即当温度低于2.17K时会发生超流相变，此时液氦为超流态，粘滞系数几乎为零，具有超流特性。早期实验发现，附图5中杯口处在超流氦液面以上的空烧杯会自动流入液体，直到杯内外液面高度一致为止。此时若把烧杯提起，则杯内液面会降低，当烧杯底高于外部液面时可观察到有液滴从杯底滴落。实际上只要环境温度低于超流临界温度，超流液氦总可以沿器壁表面爬行，通常称为超流膜爬行现象。但是若爬行路径存在温度梯度，当液氦膜爬行到温度足够高处时，液氦膜会蒸发变为气体。超流液氦膜爬行现象对于液氦减压制冷技术有较明显的影响–液氦膜蒸发后的气体被真空泵抽走，占用了真空泵的抽速，导致作为制冷源的液面蒸发受到抑制，从而减小了制冷功率，影响系统能够实现的极限温度。

对于使用氦作为冷媒的低温系统来说，为了达到更低的温度，一种常用的做法是引入一个液池用来储存液体并通过真空泵降低液面处的饱和蒸汽压，从而达到较低的温度，由于此方法通常能将温度降至1K附近，因此此液池经常被称为1K液池。

为了抑制因超流产生的爬行膜导致的无效抽速，通常在抽口处增加光滑的小孔，如1mm直径小孔，此举可以有效减小液氦膜爬行至高温区的总体流量。但实际测量中发现，因分子流气体流导与管路面积呈正比关系：其中，/为气体流量，S为管路面积，较小的抽路管道直径对于提高对蒸发液面的直接抽速不利。以上两个因素互相牵制：抑制超流爬行膜产生的无效蒸发需要减小抽口尺寸，降低气液界面压强需要增大抽口尺寸。如何选择抽口尺寸成为了决定系统最低温度的关键所在，实践可知，在有1K液池的液氦系统中，如果按照教科书中的说法，机械的将1K液池抽口设计成1mm直径，会导致系统无法降至预期温度。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种1K液池、其液氦制冷系统及降低极限温度的方法。

在阐述本发明内容之前，定义本文中所使用的术语如下：

术语“1K液池”是指：在制冷系统中用来储存液体并通过降低液面处的饱和蒸汽压，将温度降至较低的温度如1K附近的液池。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种用于液氦制冷系统的1K液池，所述1K液池包括液氦进入口、液池腔、限膜流孔、液氦抽口；所述液氦抽口的半径R≤2.2cm。

根据本发明第一方面的1K液池，其中，当所述液池腔中储存的液氦进入超流态且1K液池温度不低于1K时，所述液氦抽口的半径R的范围为0.5mmR≤2.2cm，优选为1.0mmR≤2.2cm，更优选为1.5mmR≤2.2cm，进一步优选2.0mmR≤2.2cm，最优选为R＝2.2cm。

根据本发明第一方面的1K液池，其中，当所述液池腔中储存的液氦进入超流态且1K液池温度不低于1K时，所述液氦抽口的半径R根据公式(1)得出，

其中，P_min为系统在小孔处的最低压强，h为超流膜的爬升高度。

根据本发明第一方面的1K液池，其中，所述超流态温度为＜2.2K。