專利名稱：一種與液氦溫度低溫靶配套的實驗系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于制冷及低溫領域，涉及一種用于沖擊壓縮實驗，通過與液氦溫度低 溫靶配套使用實現(xiàn)獲得3.6K 80K之間任一溫度均勻穩(wěn)定液態(tài)樣品的實驗系統(tǒng)。
背景技術：
氫、氦元素是宇宙豐度最高的元素，其高溫、高密度下的物態(tài)方程在地球物 理、天體物理和武器研究等方面有著廣泛的應用背景，因此國內(nèi)外均高度重視對氫、氦 等元素的高溫高密度物態(tài)方程的研究。沖擊壓縮技術是研究物質(zhì)高溫、高密度物態(tài)方程 的主要實驗途徑，國外自上世紀60年代以來相繼開展了有關低溫液體的沖擊壓縮實驗。 美國LIVERMORE實驗室分別研制了用于工作環(huán)境為ICT3Pa下的液氦、液氘、液氫、液 氮、液氧和液氬等多種物質(zhì)的沖擊壓縮實驗的低溫靶及其配套的實驗系統(tǒng)。由于二級輕氣炮實驗技術接口的特殊原因，液氦溫度低溫靶(詳見一種用于沖 擊壓縮實驗的液氦溫度低溫靶專利)需要在約IOOPa的低真空、室溫環(huán)境下工作，環(huán)境通 過靶板對樣品室漏熱更大，樣品液化的難度更高，因此對于與液氦溫度低溫靶配套的實 驗系統(tǒng)要求也更高，主要技術要求如下1、在3.6K 80K較大溫區(qū)精確可控，能夠直 接液化高純氦、氫和氘等樣品氣體，直接用于液氦、液氫和液氘等低溫靶實驗系統(tǒng)。2、 樣品液化后溫度穩(wěn)定、密度均勻。3、由于沖擊壓縮實驗會使靶室產(chǎn)生瞬間高溫高壓， 盡量保護實驗設備不受沖擊壓縮實驗破壞，提供可重復使用。因此，為了滿足上述技術 要求，實驗系統(tǒng)的設計必須考慮1、精確的檢測、控溫系統(tǒng)；2、較好的排氣及減壓系 統(tǒng)；3、合適的真空系統(tǒng)；4、較好的系統(tǒng)保護。鑒于以上原因，我們研制出了與應用于IOOPa真空度環(huán)境下沖擊壓縮實驗液氦溫 度低溫靶配套的實驗系統(tǒng)，由于本實驗系統(tǒng)配套的液氦溫度低溫靶具有以下幾個獨有的 設計1、具有真空夾層設計，且對真空度要求較高；2、具有加熱絲的設計。因此與液 氦溫度低溫靶配套的實驗系統(tǒng)與現(xiàn)有的實驗系統(tǒng)相比，具有以下幾個其它現(xiàn)有實驗系統(tǒng) 不具備的子系統(tǒng)1、液氦溫度低溫靶具有真空夾層的設計且真空度要求較高，因此本實 驗系統(tǒng)需具有一個高真空子系統(tǒng)。2、液氦溫度低溫靶具有加熱設計，因此本實驗系統(tǒng) 需具有一個控溫子系統(tǒng)。3、液氦溫度低溫靶的工作原理基于減壓降溫，因此本實驗系 統(tǒng)需具有一個排氣及減壓系統(tǒng)。本實驗系統(tǒng)通過與液氦溫度低溫靶的結合使用實現(xiàn)獲得 3.6K 80K任一穩(wěn)定溫度，并實現(xiàn)獲得3.6K 80K之間任一溫度的均勻穩(wěn)定液態(tài)樣品。 此外，該實驗系統(tǒng)通過柔性接頭和泵閥同步控制系統(tǒng)的設計保護了實驗設備(液氦溫度 低溫靶除外)不受沖擊壓縮實驗的破壞，實現(xiàn)實驗設備(液氦溫度低溫靶除外)的可重復 使用，使沖擊壓縮實驗能較經(jīng)濟地進行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種與液氦溫度低溫靶配套的實驗系統(tǒng)，克服低溫下可 拆卸密封、高真空獲得、壓強控制、溫度控制和設備保護等困難，實現(xiàn)獲得3.6K 80K之間任一溫度的均勻穩(wěn)定液態(tài)樣品，實現(xiàn)實驗設備(液氦溫度低溫靶除外)的可重復使 用。該實驗系統(tǒng)已經(jīng)成功應用于樣品氦的沖擊壓縮實驗。本發(fā)明的技術方案如下本發(fā)明提供的與液氦溫度低溫靶配套的實驗系統(tǒng)，其包括一靶室20，所述靶室20頂端含有一個法蘭接口 ；一液氦溫度低溫靶21 ；所述液氦溫度低溫靶21置于上述靶室20之內(nèi)，所述液 氦溫度低溫靶21包括一氣冷屏內(nèi)筒，所述氣冷屏內(nèi)筒筒壁上刻有螺旋形凹槽；一緊密地套裝于所述氣冷屏內(nèi)筒外壁上的氣冷屏外筒；所述氣冷屏外筒內(nèi)壁與 所述氣冷屏內(nèi)筒筒壁上的螺旋形凹槽之間形成螺旋形氣冷屏腔體10 ；所述氣冷屏內(nèi)筒和 氣冷屏外筒等長形成氣冷屏后端面和氣冷屏前端面；分別蓋于所述氣冷屏后端面和氣冷屏前端面的后擋板18和前擋板13 ；所述后擋 板18和前擋板13的中心處分別設有中心孔；裝于所述前擋板13中心孔上并向氣冷屏內(nèi) 筒延伸的一頸管11;連接于所述頸管11端面上位于所述氣冷屏內(nèi)筒之內(nèi)的一組件；連接 于所述組件和所述后擋板18之間的一波紋管1，所述波紋管1的內(nèi)孔與所述后擋板18中 心孔相對并相通；所述組件包括一凸形柱體和一凸形圓筒體；所述凸形柱體由直徑大的圓柱形后部和直徑小的圓筒形前部組成，所述圓柱形 后部前端與所述圓筒形前部后端固定連接成一體；所述圓柱形后部后端面中心處設有一 圓形凹槽，一后蓋19蓋于所述圓形凹槽，所述圓形凹槽與后蓋19之間形成一密閉液氦側 池5;圓筒形前部的內(nèi)筒深至所述圓柱形后部之內(nèi)，所述圓筒形前部的內(nèi)筒內(nèi)裝有一圓 形靶板8，所述圓筒形前部的內(nèi)筒筒底與所述圓形靶板8之間形成密封樣品室6 ；所述凸形圓筒體套裝于所述凸形柱體的圓筒形前部筒壁之外，所述凸形圓筒直 徑小的端面與所述圓柱形后部的前端面相連接，兩者外徑相等；所述凸形柱體的圓筒形 前部的前端面連接于所述的凸形圓筒體的筒底；所述凸形圓筒體的筒底設有與所述圓筒 形前部的筒徑尺寸相等中心孔；所述凸形圓筒體與所述凸形柱體的圓筒形前部之間形成 液氦池9 ；所述氣冷屏內(nèi)筒與位于其內(nèi)的各部件之間的空間形成真空夾層2 ；所述圓柱形 后部的柱面上環(huán)繞有加熱絲4 ；所述的樣品室6底面上設有中心連線呈兩個同心圓上的12個通孔，其中六個通 孔均勻分布在兩個同心圓的內(nèi)圓上，其余六個通孔均勻分布在兩個同心圓的外圓上，所 述外圓上六個通孔中有兩個孔的中心連線與所述內(nèi)圓上六個通孔中的兩個孔的中心連線
相互垂直；所述后蓋19分布與所述上述12個通孔對應的12個通孔；12根探針3分別從所述后蓋19上的12個通孔和樣品室6底面上的12個通孔穿 過，處于外圓上通孔中的探針頂部與靶板接觸，處于內(nèi)圓上通孔中的探針頂部與靶板之 間存有間隙；所述探針3的尾部位于所述波紋管1的內(nèi)孔之內(nèi)；所述頸管11管壁上環(huán)繞有回氣繞管12，所述回氣繞管12的一端與所述液氦池9 相連通，所述回氣繞管12另一端與所述螺旋形氣冷屏腔體10相連通；
所述氣冷屏外筒筒壁上設有與所述螺旋形氣冷屏腔體(10)相連通的氦蒸氣出口 管16 ；一低溫靶接頭17穿過所述氣冷屏外筒裝于所述氣冷屏內(nèi)筒筒壁上，該低溫靶接 頭17內(nèi)腔與所述真空夾層2相通；所述凸形柱體的變截面上設有三個通孔；所述密封液氦側池5的環(huán)壁上均勻分布有四個孔，其中一個孔為通孔，其余為 盲孔；所述通孔與穿過所述低溫靶接頭17的氦氣進口管15相連通；所述3個盲孔分別與 所述凸形柱體的變截面上的三個盲孔相連通；所述樣品室6環(huán)壁上設有一個孔，該孔與穿過所述低溫靶接頭17的樣品氣進口 管14相連通；所述液氦進口管15和所述樣品氣進口管14位于所述低溫靶接頭17的內(nèi)腔；所 述液氦進口管15和樣品氣進口管14均處于與真空夾層2相通的真空環(huán)境中；連接于所述低溫靶接頭17之上的一柔性接頭22，所述液氦進口管15和所述樣品 氣進口管14置于所述柔性接頭22內(nèi)腔之內(nèi)；連接于所述柔性接頭22之上的一管筒23，所述液氦進口管15和所述樣品氣進口 管14置于所述管筒23的內(nèi)腔之內(nèi)；連接于所述管筒23之上的一頂蓋大法蘭24，所述頂蓋大法蘭24上含有五個通 孔，其中的一個通孔連接所述液氦進口管15和一液氦輸液組件，另一個通孔連接所述樣 品氣進口管14和一樣品氣供氣組件，再一個通孔連接所述氦蒸氣出口 16和一排氣及減壓 組件，其中的第四個通孔連接一高真空系統(tǒng)，其中的第五個通孔連接放置于所述液氦溫 度低溫靶21樣品室內(nèi)的溫度計7與所述加熱絲4和一溫度控制系統(tǒng)；所述液氦輸液組件包含管道、一個三通接頭，一個第一電磁閥39、一個柔性液 氦輸液管27、一個裝有液氦的杜瓦26和一個充滿氦氣的氦氣瓶25;所述柔性液氦輸液管 27—端穿過所述頂蓋大法蘭24插入所述液氦進口管15之內(nèi)，另一端插入所述液氦杜瓦 26中，液氦杜瓦26上的出氣口與所述三通接頭連接，三通接頭的一端通過管道與所述氦 氣瓶25連接，三通接頭的另一端連接于所述第一電磁閥39上；所述樣品氣供氣組件包含一個樣品氣瓶28、一個第一機械泵29、一個樣品氣控 制罐30、管道、第一截止閥46、第二截止閥47、第三截止閥48和第四截止閥49 ；所述頂蓋大法蘭24上的樣品氣進口管14通過管道與所述第四個截止閥49連 接，所述樣品氣控制罐30包含一個進口、一個出口、一個抽氣口；所述出口連接于所述 第四截止閥49 ；所述樣品氣控制罐30分上下兩層；所述抽氣口通過管道與所述第二截止閥47相連，所述第一機械泵29的抽氣口通 過管道與所述第二截止閥47相連，所述進氣口與所述第一截止閥46相連，所述樣品氣瓶 28通過管道與所述截止閥46相連，所述第三截止閥48連接所述樣品氣控制罐30的上下 兩層；所述頂蓋大法蘭24上的一個通孔的一端與所述管筒23內(nèi)腔相通，另一端與所述 的高真空系統(tǒng)相連；所述的高真空系統(tǒng)包含一個第二電磁閥40、一個第一真空閥50、一個高量程真 空計35、一臺分子泵34、一個三通接頭和管道；所述頂蓋大法蘭24上的通孔通過管道與第二電磁閥40相連，所述第二電磁閥40通過管道與所述三通接頭相連，三通接頭的一端 與所述高真空真空計35相連，三通接頭的另一端通過管道與所述第一真空閥50相連，所 述分子泵34通過管道與所述第一真空閥50相連；所述大法蘭24上的通孔的一端通過管道與所述液氦溫度低溫靶21的氦蒸氣出口 16相連，另一端與一排氣及減壓組件相連；所述排氣及減壓組件包含第三電磁閥41、第四電磁閥42、第五電磁閥43、一個 負壓穩(wěn)定器31、一臺受控制的受控制機械泵32、一個三通接頭和管道；所述通孔的另一端通過管道與一個三通接頭相連，所述三通接頭的一端與所述 負壓穩(wěn)定器31的進口相連，所述三通接頭的另一端與第五電磁閥43相連；所述負壓穩(wěn)定 器31的出口與第三電磁閥41相連；所述第一電磁閥41與所述三通接頭的一端相連，所 述三通接頭的一端與第四電磁閥42相連，所述三通接頭的另一端與所述的受控制機械泵 32相連；所述液氦溫度低溫靶21的溫度計7與加熱絲4與所述大法蘭21上的一個通孔相 連，另一端與一溫度檢測控制系統(tǒng)相連；所述溫度檢測控制系統(tǒng)包括一臺計算機38、一 臺溫度控制儀37和導線；所述計算機38通過導線與所述溫度控制儀37相連，所述溫度 控制儀37通過導線與連接于大法蘭24上溫度計7與加熱絲4相連；所述靶室20頂端的法蘭接口與所述大法蘭24相連，所述液氦溫度低溫靶21、柔 性接頭22和管筒23置于所述靶室20內(nèi)腔之中；所述靶室20還與一個低真空系統(tǒng)相連；所述低真空系統(tǒng)包含兩個第二真空閥 44、第三真空閥45、一臺第二機械泵33、一個低真空量程計36、一個四通接頭和管道；所述靶室20通過管道與四通相連，該四通的一端口連接于所述第三真空閥45， 該四通的另一端口連接于所述的低真空量程計36，該四通的再一端口通過管道與所述第 二真空閥44 一端相連，所述第二真空閥44另一端通過管道與所述第二機械泵33相連；所述第一電磁閥39、第二電磁閥40、第三電磁閥41、第四電磁閥42、第五電磁 閥43和所述受控制機械泵32通過導線分別與一操作控制器51相連，所述操作控制器51 用于同時操作所述第一電磁閥39、第二電磁閥40、第三電磁閥41、第四電磁閥42、第五 電磁閥43和所述受控制機械泵32的運行；所述第一電磁閥39、第二電磁閥40、第三電 磁閥41、第四電磁閥42、第五電磁閥43、所述受控制機械泵32和所述操作控制器51組 成泵閥同步控制系統(tǒng)；本發(fā)明的與液氦溫度低溫靶配套的實驗系統(tǒng)中的液氦溫度低溫靶21，是基于持 續(xù)輸送液氦和減壓降溫的原理。從杜瓦中輸出的液氦流進液氦側池和液氦池，對樣品進 行降溫冷卻；蒸發(fā)的氦蒸氣經(jīng)回氣繞管流進氣冷屏腔體，然后排出低溫靶。為了實現(xiàn)液 氦側池和液氦池中液氦的貯存，低溫靶的設計包含了一個高真空夾層。當樣品室溫度被 液氦冷卻到4.2K附近后通過對液氦池減壓降溫的方式可以實現(xiàn)4.2K以下的樣品溫度。通 過復合式溫度調(diào)節(jié)與控制方法，可以實現(xiàn)獲得3.6K 80K任一穩(wěn)定溫度；為了實現(xiàn)液氦的輸入，實驗系統(tǒng)設計了液氦輸液組件；所述液氦輸液組件包括 管道、一個三通接頭，一個第一電磁閥39、一個柔性液氦輸液管27、一個裝有液氦的杜 瓦26和一個充滿氦氣的氦氣瓶25 ；為了實現(xiàn)減壓降溫，實驗系統(tǒng)設計了排氣及減壓組件，該排氣及減壓組件包括三個電磁閥(第三電磁閥41、第四電磁閥42、第五電磁閥43)； 一個負壓穩(wěn)定器31、一 臺受控制的機械泵32、一個三通接頭和管道；為了實現(xiàn)樣品氣的注入，實驗系統(tǒng)設計了樣品氣供氣組件，該樣品氣供氣組件 包括一個樣品氣瓶28、一個第一機械泵29、一個樣品氣控制罐30、管道和四個截止閥 (第一截止閥46、第二截止閥47、第三截止閥48、和第四截止閥49)；為了實現(xiàn)溫度的精確可控，實驗系統(tǒng)設計了溫度檢測控制系統(tǒng)，該溫度檢測控 制系統(tǒng)包括一臺計算機38、一臺溫度控制儀37和導線；為了實現(xiàn)獲得低溫靶工作需要的真空，實驗系統(tǒng)設計了真空系統(tǒng)，該真空系統(tǒng) 包括高真空系統(tǒng)和低真空系統(tǒng)；所述的高真空系統(tǒng)包含一個電磁閥40、一個第一真空閥 50、一個高量程真空計35、一臺分子泵34、一個三通接頭和管道；所述低真空系統(tǒng)包含 兩個真空閥(第二真空閥44和第三真空閥45)； 一臺第二機械泵33、一個低真空量程計 36、四通接頭和管道；為了實現(xiàn)實驗設備不受沖擊壓縮實驗的破壞，實驗系統(tǒng)設計了泵閥同步控制系 統(tǒng)。進一步，泵閥同步控制系統(tǒng)包括第一電磁閥39、第二電磁閥40、第三電磁閥41、第 四電磁閥42、第五電磁閥43、機械泵32和操作控制器51 ；實驗系統(tǒng)還包括低溫靶工作需要的靶室20、液氦溫度低溫靶21組件、柔性接頭 22、管筒23和頂蓋大法蘭24 ；本發(fā)明的實驗系統(tǒng)具有以下優(yōu)點1、由于低溫靶21和管筒23之間采用柔性接頭22并且采用銦絲密封，因此保護 了夾層真空管道不受沖擊壓縮實驗的破壞并且易于拆卸，從而實現(xiàn)實驗設備(低溫靶除 外)的可重復使用；2、由于沖擊壓縮實驗過程中操作人員必須遠離沖擊壓縮實驗現(xiàn)場，并且某些泵 與閥門需要同時開啟或關閉，因此設計了泵閥同步控制系統(tǒng)對泵/管道的接通與關閉進 行控制，保護實驗設備不受實驗的破壞。3、負壓穩(wěn)定器31的設計保證了減壓降溫過程 中樣品溫度的穩(wěn)定。本發(fā)明的實驗系統(tǒng)已經(jīng)成功實現(xiàn)3.6K 80K溫區(qū)精確可控；實現(xiàn)獲得3.6K 80K之間任一穩(wěn)定溫度；實現(xiàn)獲得3.6K 80K之間任一溫度的均勻穩(wěn)定液態(tài)樣品。該 實驗系統(tǒng)已成功應用于樣品氦的沖擊壓縮實驗。


圖1示出了與本發(fā)明配套的液氦溫度低溫靶的結構示意圖；圖2示出了本發(fā)明的與液氦溫度低溫靶配套的實驗系統(tǒng)示意具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。圖1示出了與本發(fā)明配套的液氦溫度低溫靶結構示意圖；圖2示出了本發(fā)明的與 液氦溫度低溫靶配套的實驗系統(tǒng)示意圖；由圖可知，本發(fā)明提供的與液氦溫度低溫靶配 套的實驗系統(tǒng)，其包括一靶室20，所述靶室20頂端含有一個法蘭接口 ；
一液氦溫度低溫靶21 ；所述液氦溫度低溫靶21置于上述靶室20之內(nèi)，所述液 氦溫度低溫靶21包括一氣冷屏內(nèi)筒，所述氣冷屏內(nèi)筒筒壁上刻有螺旋形凹槽；一緊密地套裝于所述氣冷屏內(nèi)筒外壁上的氣冷屏外筒；所述氣冷屏外筒內(nèi)壁與 所述氣冷屏內(nèi)筒筒壁上的螺旋形凹槽之間形成螺旋形氣冷屏腔體10 ；所述氣冷屏內(nèi)筒和 氣冷屏外筒等長形成氣冷屏后端面和氣冷屏前端面；分別蓋于所述氣冷屏后端面和氣冷屏前端面的后擋板18和前擋板13 ；所述后擋 板18和前擋板13的中心處分別設有中心孔；裝于所述前擋板13中心孔上并向氣冷屏內(nèi) 筒延伸的一頸管11;連接于所述頸管11端面上位于所述氣冷屏內(nèi)筒之內(nèi)的一組件；連接 于所述組件和所述后擋板18之間的一波紋管1，所述波紋管1的內(nèi)孔與所述后擋板18中 心孔相對并相通；所述組件包括一凸形柱體和一凸形圓筒體；所述凸形柱體由直徑大的圓柱形后部和直徑小的圓筒形前部組成，所述圓柱形 后部前端與所述圓筒形前部后端固定連接成一體；所述圓柱形后部后端面中心處設有一 圓形凹槽，一后蓋19蓋于所述圓形凹槽，所述圓形凹槽與后蓋19之間形成一密閉液氦側 池5;圓筒形前部的內(nèi)筒深至所述圓柱形后部之內(nèi)，所述圓筒形前部的內(nèi)筒內(nèi)裝有一圓 形靶板8，所述圓筒形前部的內(nèi)筒筒底與所述圓形靶板8之間形成密封樣品室6 ；所述凸形圓筒體套裝于所述凸形柱體的圓筒形前部筒壁之外，所述凸形圓筒直 徑小的端面與所述圓柱形后部的前端面相連接，兩者外徑相等；所述凸形柱體的圓筒形 前部的前端面連接于所述的凸形圓筒體的筒底；所述凸形圓筒體的筒底設有與所述圓筒 形前部的筒徑尺寸相等中心孔；所述凸形圓筒體與所述凸形柱體的圓筒形前部之間形成 液氦池9 ；所述氣冷屏內(nèi)筒與位于其內(nèi)的各部件之間的空間形成真空夾層2 ；所述圓柱形 后部的柱面上環(huán)繞有加熱絲4 ；所述的樣品室6底面上設有中心連線呈兩個同心圓上的12個通孔，其中六個通 孔均勻分布在兩個同心圓的內(nèi)圓上，其余六個通孔均勻分布在兩個同心圓的外圓上，所 述外圓上六個通孔中有兩個孔的中心連線與所述內(nèi)圓上六個通孔中的兩個孔的中心連線
相互垂直；所述后蓋19分布與所述上述12個通孔對應的12個通孔；12根探針3分別從所述后蓋19上的12個通孔和樣品室6底面上的12個通孔穿 過，處于外圓上通孔中的探針頂部與靶板接觸，處于內(nèi)圓上通孔中的探針頂部與靶板之 間存有間隙；所述探針3的尾部位于所述波紋管1的內(nèi)孔之內(nèi)；所述頸管11管壁上環(huán)繞有回氣繞管12，所述回氣繞管12的一端與所述液氦池9 相連通，所述回氣繞管12另一端與所述螺旋形氣冷屏腔體10相連通；所述氣冷屏外筒筒壁上設有與所述螺旋形氣冷屏腔體(10)相連通的氦蒸氣出口 管16 ；一低溫靶接頭17穿過所述氣冷屏外筒裝于所述氣冷屏內(nèi)筒筒壁上，該低溫靶接 頭17內(nèi)腔與所述真空夾層2相通；所述凸形柱體的變截面上設有三個通孔；
所述密封液氦側池5的環(huán)壁上均勻分布有四個孔，其中一個孔為通孔，其余為 盲孔；所述通孔與穿過所述低溫靶接頭17的氦氣進口管15相連通；所述3個盲孔分別與 所述凸形柱體的變截面上的三個盲孔相連通；所述樣品室6環(huán)壁上設有一個孔，該孔與穿過所述低溫靶接頭17的樣品氣進口 管14相連通；所述液氦進口管15和所述樣品氣進口管14位于所述低溫靶接頭17的內(nèi)腔；所 述液氦進口管15和樣品氣進口管14均處于與真空夾層2相通的真空環(huán)境中；連接于所述低溫靶接頭17之上的一柔性接頭22，所述液氦進口管15和所述樣品 氣進口管14置于所述柔性接頭22內(nèi)腔之內(nèi)；連接于所述柔性接頭22之上的一管筒23，所述液氦進口管15和所述樣品氣進口 管14置于所述管筒23的內(nèi)腔之內(nèi)；連接于所述管筒23之上的一頂蓋大法蘭24，所述頂蓋大法蘭24上含有五個通 孔，其中的一個通孔連接所述液氦進口管15和一液氦輸液組件，另一個通孔連接所述樣 品氣進口管14和一樣品氣供氣組件，再一個通孔連接所述氦蒸氣出口 16和一排氣及減壓 組件，其中的第四個通孔連接一高真空系統(tǒng)，其中的第五個通孔連接放置于所述液氦溫 度低溫靶21樣品室內(nèi)的溫度計7與所述加熱絲4和一溫度控制系統(tǒng)；所述液氦輸液組件包含管道、一個三通接頭，一個第一電磁閥39、一個柔性液 氦輸液管27、一個裝有液氦的杜瓦26和一個充滿氦氣的氦氣瓶25;所述柔性液氦輸液管 27—端穿過所述頂蓋大法蘭24插入所述液氦進口管15之內(nèi)，另一端插入所述液氦杜瓦 26中，液氦杜瓦26上的出氣口與所述三通接頭連接，三通接頭的一端通過管道與所述氦 氣瓶25連接，三通接頭的另一端連接于所述第一電磁閥39上；所述樣品氣供氣組件包含一個樣品氣瓶28、一個第一機械泵29、一個樣品氣控 制罐30、管道、第一截止閥46、第二截止閥47、第三截止閥48和第四截止閥49 ；所述頂蓋大法蘭24上的樣品氣進口管14通過管道與所述第四個截止閥49連 接，所述樣品氣控制罐30包含一個進口、一個出口、一個抽氣口；所述出口連接于所述 第四截止閥49 ；所述樣品氣控制罐30分上下兩層；所述抽氣口通過管道與所述第二截止閥47相連，所述第一機械泵29的抽氣口通 過管道與所述第二截止閥47相連，所述進氣口與所述第一截止閥46相連，所述樣品氣瓶 28通過管道與所述截止閥46相連，所述第三截止閥48連接所述樣品氣控制罐30的上下 兩層；所述頂蓋大法蘭24上的一個通孔的一端與所述管筒23內(nèi)腔相通，另一端與所述 的高真空系統(tǒng)相連；所述的高真空系統(tǒng)包含一個第二電磁閥40、一個第一真空閥50、一個高量程真 空計35、一臺分子泵34、一個三通接頭和管道；所述頂蓋大法蘭24上的通孔通過管道與 第二電磁閥40相連，所述第二電磁閥40通過管道與所述三通接頭相連，三通接頭的一端 與所述高真空真空計35相連，三通接頭的另一端通過管道與所述第一真空閥50相連，所 述分子泵34通過管道與所述第一真空閥50相連；所述大法蘭24上的通孔的一端通過管道與所述液氦溫度低溫靶21的氦蒸氣出口 16相連，另一端與一排氣及減壓組件相連；
所述排氣及減壓組件包含第三電磁閥41、第四電磁閥42、第五電磁閥43、一個 負壓穩(wěn)定器31、一臺受控制的受控制機械泵32、一個三通接頭和管道；所述通孔的另一端通過管道與一個三通接頭相連，所述三通接頭的一端與所述 負壓穩(wěn)定器31的進口相連，所述三通接頭的另一端與第五電磁閥43相連；所述負壓穩(wěn)定 器31的出口與第三電磁閥41相連；所述第一電磁閥41與所述三通接頭的一端相連，所 述三通接頭的一端與第四電磁閥42相連，所述三通接頭的另一端與所述的受控制機械泵 32相連；所述液氦溫度低溫靶21的溫度計7與加熱絲4與所述大法蘭21上的一個通孔相 連，另一端與一溫度檢測控制系統(tǒng)相連；所述溫度檢測控制系統(tǒng)包括一臺計算機38、一 臺溫度控制儀37和導線；所述計算機38通過導線與所述溫度控制儀37相連，所述溫度 控制儀37通過導線與連接于大法蘭24上溫度計7與加熱絲4相連；所述靶室20頂端的法蘭接口與所述大法蘭24相連，所述液氦溫度低溫靶21、柔 性接頭22和管筒23置于所述靶室20內(nèi)腔之中；所述靶室20還與一個低真空系統(tǒng)相連；所述低真空系統(tǒng)包含兩個第二真空閥 44、第三真空閥45、一臺第二機械泵33、一個低真空量程計36、一個四通接頭和管道；所述靶室20通過管道與四通相連，該四通的一端口連接于所述第三真空閥45， 該四通的另一端口連接于所述的低真空量程計36，該四通的再一端口通過管道與所述第 二真空閥44 一端相連，所述第二真空閥44另一端通過管道與所述第二機械泵33相連；所述第一電磁閥39、第二電磁閥40、第三電磁閥41、第四電磁閥42、第五電磁 閥43和所述受控制機械泵32通過導線分別與一操作控制器51相連，所述操作控制器51 用于同時操作所述第一電磁閥39、第二電磁閥40、第三電磁閥41、第四電磁閥42、第五 電磁閥43和所述受控制機械泵32的運行；所述第一電磁閥39、第二電磁閥40、第三電 磁閥41、第四電磁閥42、第五電磁閥43、所述受控制機械泵32和所述操作控制器51組 成泵閥同步控制系統(tǒng)；實施例1 :開啟第二電磁閥40和第一真空閥50，啟動分子泵34，抽管筒23內(nèi) 空間真空。開啟第一截止閥46、第二截止閥47、第三截止閥48和第四截止閥49，啟動 第一機械泵29，抽樣品氣體控制罐30、連接管道和低溫靶21樣品室真空。開啟第二真 空閥44，啟動第二機械泵33，對靶室20抽真空。待高量程真空計35顯示管筒23內(nèi)空間真空度< 10_2Pa、低量程真空計36顯示 靶室達到IOOPa左右，開啟第五電磁閥43，開始從杜瓦26經(jīng)輸液管27對低溫靶靶體21 輸液氦。通過氦氣瓶25將杜瓦壓力控制在0.02MPa以內(nèi)。持續(xù)一分鐘后通過氦氣瓶25 適當加大輸送壓力至0.03 0.04MPa，液氦對低溫靶進行降溫并吸靶體熱量后蒸發(fā)成氦 氣排除到空氣或回收系統(tǒng)中。當計算機38和控溫儀31通過溫度計7測得的液氦溫度低溫靶21樣品室溫度接 近4.2K后，關閉第五電磁閥43，開啟第三電磁閥41，啟動受操作控制器51控制的機械 泵32對低溫靶21進行減壓降溫.當溫度計7測得的低溫靶21樣品室6溫度穩(wěn)定在4.2K以內(nèi)后，關閉第一截止閥 46、第二截止閥47、第三截止閥48和第四截止閥49，開啟第一截止閥46，通過樣品氣瓶 28對樣品氣控制罐30注入樣品氣，然后慢慢打開第三截止閥48，壓力控制在O.OlMPa，最后關閉第一截止閥46和第三截止閥48，開啟第四截止閥49。當常溫的樣品氦氣輸送 到低溫靶21的樣品室6后，計算機38和控溫儀37通過溫度計7檢測到的溫度會有一個 上升，當樣品液化后重新下降，關閉第四截止閥49。多次重復上述注入樣品氣的過程， 最后當輸入樣品氣后溫度計7測得的溫度保持穩(wěn)定，溫度躍升沒有出現(xiàn)，即可以認為樣 品室6中充滿液態(tài)樣品。沖擊壓縮實驗開始前3秒鐘內(nèi)，關閉第二電磁閥40，開啟第一電磁閥39、第四 電磁閥42和第五電磁閥43并同時停止受控制機械泵32。第一電磁閥39、第二電磁閥 40、第三電磁閥41、第四電磁閥42和第五電磁閥43的開和閉及機械泵32的開啟和關閉 都在操作控制器51上一鍵完成。實施例2:開啟第二電磁閥40和第一真空閥50，啟動分子泵34，抽管筒23內(nèi) 空間真空。開啟第一截止閥46、第二截止閥47、第三截止閥48和第四截止閥49，啟動 第一機械泵29，抽樣品氣體控制罐30、連接管道和低溫靶21樣品室真空。開啟第二真 空閥44，啟動第二機械泵33，對靶室20抽真空。待高量程真空計35顯示管筒23內(nèi)空間真空度< 10_2Pa、低量程真空計36顯示 靶室達到IOOPa左右，開啟第五電磁閥43，開始從杜瓦26經(jīng)輸液管27對低溫靶靶體21 輸液氦。通過氦氣瓶25將杜瓦壓力控制在0.02MPa以內(nèi)。持續(xù)一分鐘后通過氦氣瓶25 適當加大輸送壓力至0.03 0.04MPa，液氦對低溫靶進行降溫并吸靶體熱量后蒸發(fā)成氦 氣排除到空氣或回收系統(tǒng)中。當計算機38和控溫儀37通過溫度計7測得的低溫靶21樣品室6溫度接近一個 設定溫度(本例以20K為例)后，通過輸液管27上閥門調(diào)小流量。當溫度穩(wěn)定在20K 以下某溫度點后(如19K)后，啟動控溫儀37，將控溫點設在20K，調(diào)節(jié)PID參數(shù)，通過 加熱絲4對樣品室6溫度進行控制。當樣品室溫度6穩(wěn)定在20K后，可以進行樣品的液 化，樣品的液化過程與實施例1相同。
權利要求
1. 一種與液氦溫度低溫靶配套的實驗系統(tǒng)，其包括 一靶室(20)，所述靶室(20)頂端含有一個法蘭接口 ；一液氦溫度低溫靶(21)；所述液氦溫度低溫靶(21)置于上述靶室(20)之內(nèi)，所述 液氦溫度低溫靶(21)包括一氣冷屏內(nèi)筒，所述氣冷屏內(nèi)筒筒壁上刻有螺旋形凹槽；一緊密地套裝于所述氣冷屏內(nèi)筒外壁上的氣冷屏外筒；所述氣冷屏外筒內(nèi)壁與所述 氣冷屏內(nèi)筒筒壁上的螺旋形凹槽之間形成螺旋形氣冷屏腔體(10)；所述氣冷屏內(nèi)筒和氣 冷屏外筒等長形成氣冷屏后端面和氣冷屏前端面；分別蓋于所述氣冷屏后端面和氣冷屏前端面的后擋板(18)和前擋板(13)；所述后擋 板(18)和前擋板(13)的中心處分別設有中心孔；裝于所述前擋板(13)中心孔上并向氣 冷屏內(nèi)筒延伸的一頸管(11)；連接于所述頸管(11)端面上位于所述氣冷屏內(nèi)筒之內(nèi)的一 組件；連接于所述組件和所述后擋板(18)之間的一波紋管(1)，所述波紋管(1)的內(nèi)孔 與所述后擋板(18)中心孔相對并相通；所述組件包括一凸形柱體和一凸形圓筒體；所述凸形柱體由直徑大的圓柱形后部和直徑小的圓筒形前部組成，所述圓柱形后部 前端與所述圓筒形前部后端固定連接成一體；所述圓柱形后部后端面中心處設有一圓形 凹槽，一后蓋(19)蓋于所述圓形凹槽，所述圓形凹槽與后蓋(19)之間形成一密閉液氦 側池(5)；圓筒形前部的內(nèi)筒深至所述圓柱形后部之內(nèi)，所述圓筒形前部的內(nèi)筒內(nèi)裝有 一圓形靶板(8)，所述圓筒形前部的內(nèi)筒筒底與所述圓形靶板(8)之間形成密封樣品室 (6)；所述凸形圓筒體套裝于所述凸形柱體的圓筒形前部筒壁之外，所述凸形圓筒直徑小 的端面與所述圓柱形后部的前端面相連接，兩者外徑相等；所述凸形柱體的圓筒形前部 的前端面連接于所述的凸形圓筒體的筒底；所述凸形圓筒體的筒底設有與所述圓筒形前 部的筒徑尺寸相等中心孔；所述凸形圓筒體與所述凸形柱體的圓筒形前部之間形成液氦 池(9)；所述氣冷屏內(nèi)筒與位于其內(nèi)的各部件之間的空間形成真空夾層(2)；所述圓柱形后 部的柱面上環(huán)繞有加熱絲(4)；所述的樣品室(6)底面上設有中心連線呈兩個同心圓上的12個通孔，其中六個通孔 均勻分布在兩個同心圓的內(nèi)圓上，其余六個通孔均勻分布在兩個同心圓的外圓上，所述 外圓上六個通孔中有兩個孔的中心連線與所述內(nèi)圓上六個通孔中的兩個孔的中心連線相 互垂直；所述后蓋(19)分布與所述上述12個通孔對應的12個通孔；12根探針(3)分別從所述后蓋(19)上的12個通孔和樣品室(6)底面上的12個通孔 穿過，處于外圓上通孔中的探針頂部與靶板接觸，處于內(nèi)圓上通孔中的探針頂部與靶板 之間存有間隙；所述探針⑶的尾部位于所述波紋管⑴的內(nèi)孔之內(nèi)；所述頸管(11)管壁上環(huán)繞有回氣繞管(12)，所述回氣繞管(12)的一端與所述液氦池 (9)相連通，所述回氣繞管(12)另一端與所述螺旋形氣冷屏腔體(10)相連通；所述氣冷屏外筒筒壁上設有與所述螺旋形氣冷屏腔體(10)相連通的氦蒸氣出口管 (16)；一低溫靶接頭(17)穿過所述氣冷屏外筒裝于所述氣冷屏內(nèi)筒筒壁上，該低溫靶接頭 (17)內(nèi)腔與所述真空夾層(2)相通；所述凸形柱體的變截面上設有三個通孔；所述密封液氦側池(5)的環(huán)壁上均勻分布有四個孔，其中一個孔為通孔，其余為盲 孔；所述通孔與穿過所述低溫靶接頭(17)的氦氣進口管(15)相連通；所述3個盲孔分別 與所述凸形柱體的變截面上的三個盲孔相連通；所述樣品室(6)環(huán)壁上設有一個孔，該孔與穿過所述低溫靶接頭(17)的樣品氣進口 管(14)相連通；所述液氦進口管(15)和所述樣品氣進口管(14)位于所述低溫靶接頭17的內(nèi)腔；所 述液氦進口管(15)和樣品氣進口管(14)均處于與真空夾層(2)相通的真空環(huán)境中；連接于所述低溫靶接頭(17)之上的一柔性接頭(22)，所述液氦進口管(15)和所述樣 品氣進口管(14)置于所述柔性接頭(22)內(nèi)腔之內(nèi)；連接于所述柔性接頭(22)之上的一管筒(23)，所述液氦進口管(15)和所述樣品氣進 口管(14)置于所述管筒(23)的內(nèi)腔之內(nèi)；連接于所述管筒(23)之上的一頂蓋大法蘭(24)，所述頂蓋大法蘭(24)上含有五個通 孔，其中的一個通孔連接所述液氦進口管(15)和一液氦輸液組件，另一個通孔連接所述 樣品氣進口管(14)和一樣品氣供氣組件，再一個通孔連接所述氦蒸氣出口(16)和一排氣 及減壓組件，其中的第四個通孔連接一高真空系統(tǒng)，其中的第五個通孔連接放置于所述 液氦溫度低溫靶(21)樣品室內(nèi)的溫度計(7)與所述加熱絲(4)和一溫度控制系統(tǒng)；所述液氦輸液組件包含管道、一個三通接頭，一個第一電磁閥(39)、一個柔性液氦 輸液管(27)、一個裝有液氦的杜瓦(26)和一個充滿氦氣的氦氣瓶(25)；所述柔性液氦輸 液管(27) —端穿過所述頂蓋大法蘭(24)插入所述液氦進口管(15)之內(nèi)，另一端插入所 述液氦杜瓦(26)中，液氦杜瓦(26)上的出氣口與所述三通接頭連接，三通接頭的一端通 過管道與所述氦氣瓶(25)連接，三通接頭的另一端連接于所述第一電磁閥(39)上；所述樣品氣供氣組件包含一個樣品氣瓶(28)、一個第一機械泵(29)、一個樣品氣控 制罐(30)、管道、第一截止閥(46)、第二截止閥(47)、第三截止閥(48)和第四截止閥 (49)；樣品氣控制罐(30)分上下兩層；所述頂蓋大法蘭(24)上的樣品氣進口管(14)通過管道與所述第四個截止閥(49)連 接，所述樣品氣控制罐(30)包含一個進口、一個出口、一個抽氣口 ；所述出口連接于所 述第四截止閥(49)；所述抽氣口通過管道與所述第二截止閥(47)相連，所述第一機械泵 (29)的抽氣口通過管道與所述第二截止閥(47)相連，所述進氣口與所述第一截止閥(46) 相連，所述樣品氣瓶(28)通過管道與所述第一截止閥(46)相連，所述第三截止閥(48) 連通所述樣品氣控制罐(49)的上層和下層；所述頂蓋大法蘭(24)上的一個通孔的一端與所述管筒(23)內(nèi)腔相通，另一端與所述 的高真空系統(tǒng)相連；所述的高真空系統(tǒng)包含一個第二電磁閥(40)、一個第一真空閥(50)、一個高量程真 空計(35)、一臺分子泵(34)、一個三通接頭和管道；所述頂蓋大法蘭(24)上的通孔通過 管道與第二電磁閥(40)相連，所述第二電磁閥(40)通過管道與所述三通接頭相連，三通 接頭的一端與所述高真空真空計(35)相連，三通接頭的另一端通過管道與所述第一真空閥(50)相連，所述分子泵(34)通過管道與所述第一真空閥(50)相連；所述大法蘭(24)上的通孔的一端通過管道與所述液氦溫度低溫靶(21)的氦蒸氣出口 (16)相連，另一端與一排氣及減壓組件相連；所述排氣及減壓組件包含第三電磁閥(41)、第四電磁閥(42)、第五電磁閥(43)、一 個負壓穩(wěn)定器(31)、一臺受控制的受控制機械泵(32)、一個三通接頭和管道；所述通孔的另一端通過管道與一個三通接頭相連，所述三通接頭的一端與所述負壓 穩(wěn)定器(31)的進口相連，所述三通接頭的另一端與第五電磁閥(43)相連；所述負壓穩(wěn)定 器(31)的出口與第三電磁閥(41)相連；所述第一電磁閥(41)與所述三通接頭的一端相 連，所述三通接頭的一端與第四電磁閥(42)相連，所述三通接頭的另一端與所述的受控 制機械泵(32)相連；所述液氦溫度低溫靶(21)的溫度計(7)與加熱絲(4)與所述大法蘭(21)上的一個 通孔相連，另一端與一溫度檢測控制系統(tǒng)相連；所述溫度檢測控制系統(tǒng)包括一臺計算機(38)、一臺溫度控制儀(37)和導線；所述計算機(38)通過導線與所述溫度控制儀(37) 相連，所述溫度控制儀(37)通過導線與連接于大法蘭(24)上溫度計(7)與加熱絲(4)相 連；所述靶室(20)頂端的法蘭接口與所述大法蘭(24)相連，所述液氦溫度低溫靶(21)、 柔性接頭(22)和管筒(23)置于所述靶室(20)內(nèi)腔之中；所述靶室(20)還與一個低真空系統(tǒng)相連；所述低真空系統(tǒng)包含兩個第二真空閥 (44)、第三真空閥(45)、一臺第二機械泵(33)、一個低真空量程計(36)、一個四通接頭 和管道；所述靶室(20)通過管道與四通相連，該四通的一端口連接于所述第三真空閥(45)， 該四通的另一端口連接于所述的低真空量程計(36)，該四通的再一端口通過管道與所述 第二真空閥(44) 一端相連，所述第二真空閥(44)另一端通過管道與所述第二機械泵(33) 相連；所述第一電磁閥(39)、第二電磁閥(40)、第三電磁閥(41)、第四電磁閥(42)、第 五電磁閥(43)和所述受控制機械泵(32)通過導線與一操作控制器(51)相連，所述操作 控制器(51)用于同時操作所述第一電磁閥(39)、第二電磁閥(40)、第三電磁閥(41)、 第四電磁閥(42)、第五電磁閥(43)和所述受控制機械泵(32)的運行；所述第一電磁閥(39)、第二電磁閥(40)、第三電磁閥(41)、第四電磁閥(42)、第五電磁閥(43)、所述受 控制機械泵(32)和所述操作控制器(51)組成泵閥同步控制系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種與用于沖擊壓縮實驗的液氦溫度低溫靶配套使用的實驗系統(tǒng)，包括靶室、低溫靶、柔性接頭、管筒、大法蘭、液氦輸液組件、排氣及減壓組件、樣品氣供氣組件、真空系統(tǒng)、泵閥同步控制系統(tǒng)和溫度檢測控制系統(tǒng)。實驗系統(tǒng)通過柔性接頭和泵閥同步控制系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)了實驗設備(液氦溫度低溫靶除外)的可重復使用。實驗系統(tǒng)通過真空系統(tǒng)和排氣及減壓組件的設計實現(xiàn)了穩(wěn)定的3.6K最低溫度。實驗系統(tǒng)通過溫度檢測控制系統(tǒng)的設計實現(xiàn)了3.6K～80K溫區(qū)溫度精確可控。本發(fā)明與液氦溫度低溫靶的配套使用實現(xiàn)獲得了3.6K～80K之間任一溫度的均勻穩(wěn)定液態(tài)樣品。該實驗系統(tǒng)已成功應用于樣品氦的沖擊壓縮實驗。
文檔編號G01N1/42GK102023114SQ200910093850
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月22日 優(yōu)先權日2009年9月22日
發(fā)明者李建國, 梁驚濤, 洪國同, 羅寶軍, 蔡京輝 申請人:中國科學院理化技術研究所