低温真空腔体结构设计及传热分析

为适应未来航天低温光学系统的需要,研制了1套测量光学元件低温场和低温变形的系统。该系统由真空机组、低温真空腔体、防振系统、测量装置等主要部分组成。其中低温真空腔体是该系统中关键的装置,为光学元件的低温真空实验提供了必要的条件。对低温真空腔体的结构设计、真空度和传热进行了分析探讨,并且对梯形薄壁绝热支撑进行了详细结构热分析和COSMOSWORK软件的传热分析,结果表明可以满足低温真空的实验要求。     

温度计的热响应时间对动态测温的影响

基于导热模型分析了真空环境下使用陶瓷封装的铑铁温度计测量固体表面或内部温度的热响应时间,并进一步分析了在动态测温中,温度计的热响应时间对测量的影响。分析计算结果及实验表明,在动态测温中,热响应时间会使温度计测得的温度波动幅值小于被测温度,并且热响应时间越大,测得的温度波动幅值越小。     

低温恒温器绝热性能对平衡氢三相点复现的影响研究

平衡氢三相点(13.803 3 K)是ITS-90规定的最低温度固定点,常用于标准套管铂电阻温度计的检定或校准。改进后的国家温度基准使用基于闭循环制冷机的低温恒温器提供准绝热环境,采用量热法进行密封式平衡氢三相点的复现实验。由平衡氢转化催化剂引起的三相点容器的预熔化现象以及实验组装的差异均会导致组件热容或系统热阻的变化,从而影响复现水平。建立了系统的传热模型,通过2次绝热条件不同的复现实验,测量了低温恒温器三相点组件的热容、绝热屏与三相点组件的热阻等参数,分析了低温恒温器绝热性能对平衡氢三相点复现的影响规律。结果显示,在复现开始前通过测量热阻并确认系统绝热性能良好,复现4个平衡氢三相点温坪的标准偏差优于0.1 mK。     

离子阱低温超高真空系统的研制

离子阱是一种常用于光谱研究的装置,低温超高真空环境是其工作的基本条件.介绍了一套由真空腔体、真空抽气系统、温度监测及控制系统、脉管制冷机等组成的离子阱低温超高真空系统.在三种不同条件下对真空腔体进行抽真空对比试验,分析了影响真空系统极限真空的关键因素.采用超高真空获得方法与工艺,真空系统在常温和低温状态下分别获得了1.9×10-8Pa和5.0×10-10pa的真空度,在高真空绝热条件下,离子阱最低温度达到3.9K.文章最后对该系统的研制过程以及结果进行总结,提出了适用于同类低温超高真空系统设计与研制的相关结论.     

红外后光学和辐射制冷器分离方案的设计和分析

为实现高效的地面低温光学校正,设计了一套系统以实现红外后光学组件和辐射制冷器的分离.该系统包括低温真空腔体、冷箱内的多级结构、级间Kevlar纤维支撑和冷量传输部件.运用有限元软件分析了各级冷损,并对关键结构作了准静态分析和纤维支撑预紧力的估算.计算结果表明该设计方案具有良好的热学性能和力学结构强度.     

红外辐射温度计的辐射源尺寸效应修正

红外辐射温度计在低温测量的辐射源尺寸效应（SSE） 的规律不同于高温测量。基于以虚拟探测器温度消除背景辐射影响的SSE计算模型,推导了在不同源尺寸和不同背景条件下辐射温度计输出的SSE影响修正公式;得出不同源尺寸条件下辐射温度计温度示值的SSE影响修正的理论解析表达式。在源温度低于或接近背景温度时修正模型与高温测量SSE修正模型有显著差异。所得结果适用于任意温度下对单波段辐射温度计的SSE影响修正。     

热真空低温环境实验台研制

为满足低温实验的环境要求,建设了液氮温度级别(80 K)的热真空冷阱低温环境实验台,可进行低温实验中压力与压差、温度与温差、流量与热负荷的测量.该实验台采用附加液氮冷阱的真空多层绝热结构,冷阱温度最低可达80 K,无负载时冷箱真空度可达0.000 03 Pa;在采用外循环工质时,测试压力范围为0-1 MPa、压差范围为...     

薄膜温度计安装接触热阻和激励功率的优化

从温度计自热效应的角度出发,分析了温度计安装的接触热阻,计算求出了4.2—20 K温区的接触热阻值,并理论推导了接触热阻的不确定度计算公式;其次根据求出的接触热阻值分析得到了温度计在4.2—20 K温区的最优激励条件。实验结果表明:在不同的实验温区4.2—20 K范围内,温度计的最优激励电压均大于使用手册中的推荐值2 mV±25%;温度计自热效应引起的温度测量不确定度在20 K时达到最大值0.896 mK,在4.2 K时为最小值0.377 mK。     

脉冲管整机条件下回热器交变特性实验研究

搭建脉冲管制冷机动态参数测试实验台,在脉冲管制冷机整机运行条件下对处于实际温度梯度的回热器进行了动态速度以及动态压力测试。为了测量回热器冷端的动态速度,研究针对低温侧的热线探针进行了低温条件下的标定。实验测量了充气压力3 MPa、运行频率40—60 Hz、冷端温度100 K工况下回热器的相位特性以及阻力特性,并得到了整机运行条件下回热器阻力系数经验公式。研究结果表明,随着频率的提升,回热器冷热端速度-压力相位差增大,相同雷诺数下的阻力系数增大;随着温度降低,相同雷诺数下的阻力系数增大,并且在低雷诺数下变化更加明显。该研究结果是在回热器实际工作条件下测量得到,能够为脉冲管制冷机中的回热器模拟计算以及回热器热力学分析提供必要的数据支持。     

上海EBIT装置低温超导段超高真空系统

介绍了上海电子束离子阱实验装置(EBIT)低温超导段常温和低温的真空获得系统设计,通过溅射离子泵和低温冷面的冷凝抽气系统达到了所需真空要求。系统的真空调试结果表明,常温下极限真空达到10-6 Pa,液氦低温下在离子阱外围区域测量值是5×10-8 Pa。离子阱区的压力是通过建立区域气体流动模型计算得到。结果预示,在离子捕集区真空度能达到10-10 Pa的设计指标。     

基于分子流传感元件的真空腔体漏率测量方法

本文介绍了一种基于分子流传感元件的真空腔体漏率测量方法,该方法通过分子流传感元件测量真空腔体整体漏率,采用的测量装置由气体流量测量系统、真空抽气系统、恒温系统等部分组成.在测量系统中,流经传感元件的气流处于分子流状态,通过测量传感元件两端的差压,计算质量流量,可以得到真空腔体的整体漏率.实验中对多个真空腔体漏率的测量结...     

大口径低温管道变工况漏热特性分析与优化

建立了一个包含辐射漏热、固体导热和残余气体导热分析的复合热力学模型,对高真空绝热低温管道在热边界温度(环境温度)变化、冷边界温度变化(压力变化或者改变流体)和真空度变化等变工况的漏热特性开展了研究。结果表明,热边界温度(环境温度)对漏热量的影响显著高于冷边界温度改变(流体种类改变或者管道内压力变化)导致的影响;当真空度为10—10~(-2) Pa区间,随着真空的改善,漏热量明显变小,不过当真空度优于10~(-3) Pa时,真空的进一步改善对漏热量的影响不再显著。     

分度方法对高精度数字温度计测量结果影响的实验研究

铂电阻温度传感器用CVD方程、ITS-90国际温标、多项式方程进行分度,并采用高精度数字温度计显示不同方法的测量结果,以分析不同分度方法对于高精度数字温度计测量结果的影响.在-60～300 ℃进行了实验研究,结果表明,分度方法对于测量结果有一定的影响,在高精度测量条件下可通过方法的选择以提高稳定性和准确度.分度方法的研...     

ITER 10kA高温超导电流引线测试装置低温系统的研究

为ITER CC 10 kA高温超导电流引线服务的低温性能测试装置已研制完成,并成功运行。其低温系统主要由500W/4.5 K氦制冷机,真空杜瓦,低温组件(低温阀门,过冷槽,管道加热器,热防护层),汽化器及低温传输管线等部分组成。本文对真空杜瓦和过冷槽进行设计,并讨论该低温系统的冷却流程方案,最后通过电流引线10 kA稳态实验结果对低温系统的运行效果进行分析,结果表明该低温系统运行稳定,能满足ITER CC电流引线的测试需要。     

红外辐射温度计瞄准的平面辐射源模型

用典型红外辐射温度计的辐射源尺寸效应的实验数据说明不同测量条件下的检定/校准结果的差异可能为其最大允许误差绝对值的数倍。提出具有明确测量条件的平面辐射源瞄准模型和以辐射源前置光阑的方式对于不同空腔黑体辐射源实现相同的等效平面源直径的方法,提出了对光阑的技术特性和放置距离要求,分析表明低温辐射源对光阑的冷却作用可能引起不可忽略的示值降低。采用等效平面源模型的实验结果表明以不同几何条件的空腔黑体辐射源可得到一致的检定结果。讨论了应用平面辐射源模型可能遇到的实际技术问题和解决的对策。     

SHINE测试站低温传输线真空系统研制

SHINE测试站低温系统主要包括三大子系统：低温制冷机系统、低温工质传输与分配系统以及辅助系统,其中真空系统作为低温系统中的辅助系统,为制冷机、低温传输管线等系统提供重要的性能保障。本文介绍了SHINE测试站低温传输线真空系统,包括总体布局设计,物理设计需求,真空指标,真空系统设计,关键设备选型,安装和调试等工作。目前,测试站各真空区段室温下的平均稳态真空度均优于1.0×10^-2 Pa,2 K低温状态时平均稳态真空度优于1.0×10^-3 Pa,满足低温传输管线物理需求,各非标真空设备、真空获得及测量设备等经过一年多的连续运行,可靠稳定无故障,因此测试站真空系统的研制方案能满足物理指标和实际工程要求,为绝热真空腔体真空系统设计积累了经验。     

高真空多层绝热低温容器整体热分析及试验验证

对35 m'高真空多层绝热低温容器在满载液氧的状态下进行热分析,得到标准状态下该容器漏热量的分布范围及相应的静态蒸发率分布,分析了导热和辐射漏热在总漏热的比重.将计算结果和静态蒸发率试验进行对比,结果符合较好,说明计算的准确性和有效性.进而分析了冷态下玻璃钢支承件和罐体的接触情况.结果可为高真空多层绝热低温容器的设计、...     

基于拉曼散射的分布式光纤传感系统真空低温热沉环境温度梯度测量

新型分布式光纤温度传感器具备电类温度传感器所不具有的独特优势，扩展了温度测量在真空低温环境中的应用领域。在真空低温热沉环境下使用分布式光纤温度传感器进行温度梯度测量。传统热电偶温度传感器和分布式光纤温度传感器布置在同一双层铝板结构中，铝板以及传感器放置在真空低温热沉环境中。铝板由加热片进行控温，以实现真空低温热沉环境下不同温度梯度的测量。对两类传感器所测铝板的温度数据进行分析，结果表明，基于拉曼散射原理的分布式光纤温度测量系统能够对真空低温热沉环境下的温度梯度实现精确测量，可以满足低温工况下工件的温度测量。     

冷原子量子真空计量技术研究进展

超高/极高真空度测量技术在宇航科学、半导体制造、表面科学等领域具有广泛的应用。随着超冷原子技术的发展,利用冷原子损失率与气体压力之间的关系测量真空度,逐渐发展成一种新的真空测量方法——冷原子量子真空测量。在该方法中,冷原子损失率仅仅与冷原子和气体的碰撞截面有关,因此基于冷原子量子真空测量的方法有望发展出绝对真空计量技术。首先介绍了激光冷却和囚禁原子的基本概念以及磁光阱的结构和工作原理。其次,论述了冷原子量子真空计量技术的国内外研究现状、技术优势和关键技术。最后展望了冷原子量子真空计量技术的发展趋势。随着冷原子装置的小型化、商业化、普及化,这种新型量子真空计量技术有望应用到诸如航天器等需要高性能、轻量化、微型化装置的领域中。     

一种用于飞秒激光实验的柔性真空低温系统

为满足某飞秒激光实验需要,研制了一套低温系统,该系统由真空腔体和制冷系统组成,制冷系统冷源为液氮或液氦。在实验晶体样品的周围使用4个并联电阻加热片提供加热功率,通过PID控制策略,可以将晶体温度控制在5—300 K范围内的任何点。除此之外,该低温系统引入了柔性的输液和排气管路,能够保证晶体在二维移动平台控制下实现一定范围内的移动和转动。介绍了整个真空低温系统的组成,并对系统漏热和晶体温度分布进行了数值模拟,完成了温度测量与控制实验。实验结果表明,通过采用冷气体调节与PID组合的控制策略,当在5—80 K内使用液氦作为冷源时,晶体温度的波动小于0.9 K,当在80—300 K内使用液氮作为冷源时,晶体温度波动小于1.3 K。