[发明专利]无液氦闭式循环样品测试用低温系统

说明书

本发明公开了无液氦闭式循环样品测试用低温系统，包括GM制冷机、真空容器、一级冷屏、二级冷屏、冷凝器、流阻元件、样品腔、循环泵、储气罐、输气管路，所述一级冷屏、二级冷屏、冷凝器、流阻元件、样品腔均位于真空容器内，所述GM制冷机与真空容器固定且伸入真空容器内，并与一级冷屏、二级冷屏接触导冷。本发明中，通过真空容器，输气管路使整个系统形成闭式循环，在运行时无氦气损耗，避免了开式液氦系统的操作难度、氦气的浪费，氦气经过流阻元件降温，对样品腔内的样品进行流动冷却，使样品浸泡在流动氦气中，保证了样品温度均匀度，提高了控变温灵敏度。

技术领域

本发明涉及低温制冷技术领域，更具体涉及无液氦闭式循环样品测试用低温系统。

背景技术

随着尖端科技的发展，超低温成为物理、化学、材料、量子、超导等科学实验必不可少的辅助技术。氦由于其独特的热及流体特性，是超低温技术中最主要、最关键的低温介质，可以提供mk级的最低温，通常以液氦、氦气、超流氦等不同形态提供不同的温度范围。

现有专利公开号为CN112547153 A的专利文献公开了一种1K温度的无液氦超低温测试装置，包括制冷机、仪表裙、真空外壳，其特征在于：制冷机、仪表裙和真空外壳自上而下依次连接；真空外壳上设置有氦气进口、氦气出口和针阀旋钮，针阀旋钮贯穿真空外壳的上表面并与真空外壳内部的针阀连接，其中，针阀对已预冷的常压氦气进行节流降温；真空外壳内部设置有换热器、针阀、1K罐、热锚和气路，用于将来自氦气进口的氦气进行制冷和节流降温，以使氦气降温至1K，1K的超低温氦气、由氦气降温生成的液氦聚集于1K罐内以稳定测试环境的1K温度，随后从氦气出口排出。能够实现低至1K温度的超低温液氦测试环境，用于样品测试或校准温度计，节约成本、简单便捷。

通常，开式液氦系统需要不断加注液氦来维持样品低温，系统复杂，操作繁琐，会造成大量氦气资源的浪费，提高了实验的经济成本。直冷式低温系统通常采用二级冷头与样品热传导的方式实现降温，但GM制冷机自身二级冷头最低温度只能达到2.5K左右，使得样品与冷头存在较大温差，很难达到3K以下，极大限制了液氦样品测试的最低温度。目前无液氦超低温系统，大多样品直接安装在超流氦腔底部，样品通过热传导与超流氦腔实现导冷，样品只能保持最低温，无法实现样品的高精度连续控温，同时换样时需整个系统停机复温，不利于操作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，如何降低测试系统的试验成本，并降低样品的最低温，提高试验可控温度区间及精度。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：无液氦闭式循环样品测试用低温系统，包括GM制冷机、真空容器、一级冷屏、二级冷屏、冷凝器、流阻元件、样品腔、循环泵、储气罐、输气管路，所述一级冷屏、二级冷屏、冷凝器、流阻元件、样品腔均位于真空容器内，所述GM制冷机与真空容器固定且伸入真空容器内，并与一级冷屏、二级冷屏接触导冷；

所述储气罐内的氦气经输气管路与GM制冷机和冷凝器换热冷凝形成液氦，经流阻元件节流降温形成超流氦，超流氦蒸发形成氦蒸汽对样品腔内的样品进行流动冷却，并通过循环泵重新输送至储气罐。

通过储气罐、循环泵、输气管路的设置使整个系统形成闭式循环，在运行时无氦气损耗，避免了开式液氦系统的操作难度、氦气的浪费，降低了成本，液氦经过流阻元件节流降温形成超流氦，超流氦蒸发形成的超低温氦蒸汽，对样品腔内的样品进行流动冷却，使样品浸泡在流动氦气中，保证了样品温度均匀度，提高了控变温灵敏度，降低了样品的最低温度，提高了试验可控温度区间。

作为优选的技术方案，所述GM制冷机包括一级气缸、一级冷头、二级气缸、二级冷头，所述一级气缸端部固接有一级冷头，所述二级气缸固定设于一级气缸顶部，所述二级冷头固定设于二级冷头底部，所述一级冷屏与一级冷头接触导冷，所述二级冷屏与二级冷头接触导冷，且一级冷屏与二级冷屏上均设有加热器，通过一级冷屏与一级冷头接触导冷，二级冷屏与二级冷头接触导冷，减少了对超流氦腔的辐射漏热，在一、二级冷屏上布置加热器，可根据样品区的温度需要，调节一、二级冷屏温度，可实现样品区的高精度控温。