一种基于GM制冷机冷却的低振动低温磁场测量装置的制作方法

本发明涉及低温恒温器中的温度调节及超导磁体技术领域，具体地说是一种能够测量低温磁场环境下样本的相关性质参数的基于gm制冷机冷却的低振动低温磁场测量装置。

背景技术：

已存在可用温度扫描及磁场扫描的超导磁体低温恒温器，此类低温恒温器可用作样本的物性参数测量。此类低温恒温器通常包括真空壳体、多级热辐射屏、制冷机、氦制冷剂管道、超导磁体、样本空间及用于控制温度及磁场的装置。

此类低温恒温器的一个常见使用实例为可自动执行物性测量的可变温度控制装置。为进行测试，样本测试空间的磁场强度需在一定时限内变化，通常为±9t，此时磁体处于4.2k以下的低温以维持超导态。样本测试空间内的温度可在1.5-300k间做任意变化。此类低温恒温器控制要求不同部件之间冷量的精确分配。此类低温恒温器的一个可选冷源为脉管制冷机，此类制冷机具有振动低的优点；但4k脉管制冷机的成本较高且稳定性较差，不适于商业化应用。此类低温恒温器的一个可选热耦接方式为刚性接触式传热，此传热方式具有传热效果好的优点，但存在振动控制难度大的问题。此类低温恒温器的一个可选磁体冷却方式为制冷机直接冷却，此冷却方式具有冷量损失小的优点，但存在磁体受冷头状态影响大的问题，系统温度调节有限，否则易发生磁体失超。此类低温恒温器的一种常见配置为制冷机刚性连接到真空外壳及热辐射屏上；此配置结构简单可靠，但在磁场环境测试条件下制冷机振动对样本测试存在很大影响。4kgm制冷机在正常运行中产生1hz的振动，不利于磁场环境下的测试，需采用不影响热传递的振动隔离手段削减。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种能够测量低温磁场环境下样本的相关性质参数的基于gm制冷机冷却的低振动低温磁场测量装置。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

一种基于gm制冷机冷却的低振动低温磁场测量装置，其特征在于：该装置包括具有一个制冷腔体进气口和一个制冷腔体出液口的制冷机腔体以及配套的一台gm制冷机，所述gm制冷机的冷头插入制冷机腔体内且gm制冷机与制冷机腔体的上沿通过减振波纹管连接，所述的gm制冷机通过制冷机减振器固定在支撑梁上。

所述的支撑梁通过立柱固定支撑在底板上。

该装置包括真空外壳、一级热辐射屏、二级热辐射屏，所述的一级热辐射屏和二级热辐射屏皆通过热辐射屏绝热吊杆上下平行悬挂在真空外壳构成的一级腔体内，二级热辐射屏及其相应的壳体构成的三级腔体位于一级热辐射屏及其相应的壳体构成的二级腔体内，二级腔体位于一级腔体内且二级腔体和三级腔体皆通过热辐射屏绝热吊杆悬挂在一级腔体内。

所述的真空外壳通过外壳减振器固定支撑在底板上。

所述的制冷机腔体在对应gm制冷机的一级冷头和二级冷头的位置处分别设有一级换热器和二级换热器，且一级换热器对应处的制冷机腔体外壁与一级热辐射屏热耦接、二级换热器对应处的制冷机腔体外壁与二级热辐射屏热耦接。

该装置包括同轴心布置的低温超导磁体和样本测试腔体，低温超导磁体固定在磁体热耦接板上，在磁体热耦接板上设有液氦容器且两者的连接位置处设有接板换热器，液氦容器的顶部通过液氦管道与制冷机腔体底部的制冷腔体出液口连通，由液氦容器内的液氦提供并维持所述低温超导磁体所需的低温环境。

所述的磁体热耦接板通过接板吊杆固定在在真空外壳上，接板吊杆通过一级吊杆热沉和二级吊杆热沉分别耦接在一级热辐射屏和二级热辐射屏上；与低温超导磁体相连接的磁体引线通过穿真空接口进入真空外壳内，且磁体引线通过一级引线热沉和二级引线热沉分别耦接在一级热辐射屏和二级热辐射屏上。

该装置还与包括低温超导磁体同轴心布置的样本测试腔体，且样本测试腔体在磁体热耦接板的上端面处通过绝热板刚性连接；样本测试腔体包括下段的位于低温超导磁体内的高导热材料筒体和上段的低导热材料同心筒体，低导热材料同心筒体包括内筒体和外筒体，内筒体向上伸出外筒体，内筒体与高导热材料筒体的内外径相等且内筒体的下沿与高导热材料筒体的上沿密封热耦接，样本测试杆的杆体向下穿过内筒体顶端的腔体法兰延伸至高导热材料筒体内。

所述外筒体的底部设有测试腔体进液口，且测试腔体进液口通过管道与低温节流阀的阀门出口相连通、低温节流阀的阀门进口通过管道与过滤器相连接，过滤器通过插至液氦容器底部的液氦出液管与液氦容器相连通；所述外筒体的上部设有测试腔体出气口，测试腔体出气口通过带有外部循环泵的管路与制冷腔体进气口相连接；所述内筒体的伸出部设有静态气体接口，静态气体接口通过带有气体接口阀的管路与带有系统进气阀的进气管相连接，系统进气阀出口侧的进气管分别与气体接口阀的管路和制冷腔体进气口的管路相连接。

所述外部循环泵通过循环泵减振器连接到底板上；所述外部循环泵两端的连接管路皆采用减振波纹管。

所述测试腔体进液口上侧的内筒体外壁上设有限流环，且限流环上方的内筒体外壁上设有防热辐射环片；所述杆体上设有多个平行设置的杆体热辐射屏。

所述样本测试腔体中的外筒体通过一级腔体热沉和二级腔体热沉分别耦接在一级热辐射屏和二级热辐射屏上。

所述的低温节流阀通过一级阀门热沉和二级阀门热沉分别耦接在一级热辐射屏和二级热辐射屏上，且低温节流阀的大气端旋钮位于真空外壳外、低温节流阀的阀杆分别通过室温端密封和低温端密封进行密封处理且阀杆与阀壁采用限位块定位。

本发明相比现有技术有如下优点：

本发明的装置由4kgm制冷机液化循环氦气为低温超导磁体提供4k以下的低温，液氦与低温超导磁体间通过磁体热耦接板传递热量，4kgm制冷机与低温超导磁体间以液氦作为缓冲，降低gm制冷机温度骤变对低温超导磁体的影响；在装置预冷阶段氦气经制冷机腔体液化后沿液氦管道进入液氦容器，蒸发后原路返回到制冷机腔体再次液化，可实现装置的快速降温；液氦的一部分通过低温节流阀节流降温后为样本测试腔体提供低温环境，液氦与样本间通过静态导冷气传递热量，该部分液氦比例可通过低温节流阀调节，无需大幅改变制冷机温度，实现冷量分配的目的；测试样本能够进行1.5-10k之间的温度控制，控温操作由样本测试杆上的加热器、样本测试腔体内的静态导冷气压力及低温节流阀联合完成。

本发明的4kgm制冷机的振动隔离手段包括金属减振波纹管、氦气腔、减振器及独立支撑结构，能够有效降低gm制冷机振动对样本测试的影响；样本测试腔体通过绝热刚性连接与低温超导磁体相连，样本测试杆通过腔体法兰与样本测试腔体相连，保持样本与低温超导磁体无相对运动，进一步降低振动对测试的影响。

本发明的制冷机腔体在对应gm制冷机的一级冷头和二级冷头的位置处装有高热导材料制翅片换热器，以加强与氦气的换热，在与gm制冷机无刚性物理接触的条件下实现高换热效率。

本发明的样本测试腔体的夹层为减压降温液氦蒸发后的氦气流出通道，通道底部设置有限流环以防止超流氦爬行，通道中上部交替设有防热辐射环片以降低从室温端至低温端的漏热。

本发明的外部循环泵采用循环泵减振器及减振波纹管连接测试腔体出气口及制冷腔体进气口的方式，降低外部循环泵的振动对样本测试的影响。

附图说明

附图1为本发明的基于gm制冷机冷却的低振动低温磁场测量装置的结构示意图。

其中：1—真空外壳；2—一级热辐射屏；3—二级热辐射屏；4—gm制冷机；5—减振波纹管；6—制冷机腔体；7—一级换热器；8—二级换热器；9—制冷腔体出液口；10—液氦管道；11—液氦容器；12—接板换热器；13—磁体热耦接板；14—液氦容器出液口；15—过滤器；16—低温端密封；17—低温节流阀；18—阀壁；19—阀杆；20—限位块；21—一级阀门热沉；22—二级阀门热沉；23—测试腔体进液口；24—外筒体；25—内筒体；26—测试腔体出气口；27—静态气体接口；28—外部循环泵；29—循环泵减振器；30—制冷腔体进气口；31—气体接口阀；32—系统进气阀；33—进气管；34—限流环；35—一级腔体热沉；36—二级腔体热沉；37—防热辐射环片；38—杆体；39—杆体热辐射屏；40—样本测试腔体；41—腔体法兰；42—样本测试杆；43—热辐射屏绝热吊杆；44—接板吊杆；45—一级吊杆热沉；46—二级吊杆热沉；47—磁体引线；48—穿真空接口；49—一级引线热沉；50—二级引线热沉；51—低温超导磁体；52—高导热材料筒体；53—制冷机减振器；54—大气端旋钮；55—室温端密封；56—支撑梁；57—立柱；58—外壳减振器；59—底板；60—绝热板。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示：一种基于gm制冷机冷却的低振动低温磁场测量装置，该装置包括具有一个制冷腔体进气口30和一个制冷腔体出液口9的制冷机腔体6以及配套的一台gm制冷机4，所述gm制冷机4的冷头插入制冷机腔体6内且gm制冷机4与制冷机腔体6的上沿通过减振波纹管5连接，gm制冷机4通过制冷机减振器53固定在支撑梁56上，支撑梁56通过立柱57固定支撑在底板59上。该装置还包括真空外壳1、一级热辐射屏2、二级热辐射屏3，真空外壳1通过外壳减振器58固定支撑在底板59上；一级热辐射屏2和二级热辐射屏3采用高导热材料并进行降低表面发射率处理，一级热辐射屏2和二级热辐射屏3皆通过热辐射屏绝热吊杆43上下平行悬挂在真空外壳1构成的一级腔体内，二级热辐射屏3及其相应的壳体构成的三级腔体位于一级热辐射屏2及其相应的壳体构成的二级腔体内，二级腔体位于一级腔体内且二级腔体和三级腔体皆通过热辐射屏绝热吊杆43悬挂在一级腔体内。

在上述结构中，减振波纹管5可以是金属焊接波纹管或者橡胶波纹管，从而满足不同振动指标要求；制冷机减振器53和外壳减振器58为气浮减振器或者主动减振器。

进一步的说，在制冷机腔体6在对应gm制冷机4的一级冷头和二级冷头的位置处分别设有一级换热器7和二级换热器8，一级换热器7和二级换热器8为高导热材料换热器以强化换热，且一级换热器7对应处的制冷机腔体6外壁与一级热辐射屏2热耦接、二级换热器8对应处的制冷机腔体6外壁与二级热辐射屏3热耦接。

进一步的说，该装置包括同轴心布置的低温超导磁体51和样本测试腔体40，低温超导磁体51固定在磁体热耦接板13上，在磁体热耦接板13上设有液氦容器11且两者的连接位置处设有高导热材料制成的接板换热器12以强化换热，液氦容器11的顶部通过液氦管道10与制冷机腔体6底部的制冷腔体出液口9连通，由液氦容器11内的液氦提供并维持所述低温超导磁体51所需的低温环境；磁体热耦接板13通过接板吊杆44固定在在真空外壳1上，接板吊杆44通过一级吊杆热沉45和二级吊杆热沉46分别耦接在一级热辐射屏2和二级热辐射屏3上；与低温超导磁体51相连接的磁体引线47通过穿真空接口48进入真空外壳1内，且磁体引线47通过一级引线热沉49和二级引线热沉50分别耦接在一级热辐射屏2和二级热辐射屏3上。

进一步的说，该装置还与包括低温超导磁体51同轴心布置的样本测试腔体40，样本测试腔体40通过一级腔体热沉35和二级腔体热沉36分别耦接在一级热辐射屏2和二级热辐射屏3上。且样本测试腔体40在磁体热耦接板13的上端面处通过绝热板60刚性连接；样本测试腔体40包括下段的位于低温超导磁体51内的高导热材料筒体52和上段的低导热材料同心筒体，低导热材料同心筒体包括内筒体25和外筒体24，内筒体25向上伸出外筒体24，内筒体25与高导热材料筒体52的内外径相等且内筒体25的下沿与高导热材料筒体52的上沿密封热耦接，样本测试杆42的杆体38向下穿过内筒体25顶端的腔体法兰41延伸至高导热材料筒体52内在外筒体24的底部设有测试腔体进液口23，且测试腔体进液口23通过管道与低温节流阀17的阀门出口相连通、低温节流阀17的阀门进口通过管道与过滤器15相连接，过滤器15通过插至液氦容器11底部的液氦出液管14与液氦容器11相连通；在外筒体24的上部设有测试腔体出气口26，测试腔体出气口26通过带有外部循环泵28的管路与制冷腔体进气口30相连接，外部循环泵28通过循环泵减振器29连接到底板59上且外部循环泵28两端的连接管路皆采用减振波纹管；在内筒体25的伸出部设有静态气体接口27，静态气体接口27通过带有气体接口阀31的管路与带有系统进气阀32的进气管33相连接，系统进气阀32出口侧的进气管33分别与气体接口阀31的管路和制冷腔体进气口30的管路相连接。在测试腔体进液口23上侧的内筒体25外壁上设有限流环34，且限流环34上方的内筒体25外壁上设有防热辐射环片37；样本测试杆42的杆体38为高强度低导热材料，杆体28上设有多个平行设置的杆体热辐射屏39，杆体28的底部为样本固定位置、测量引线由杆体28顶部的法兰引出，样本测试杆42与样本测试腔体40由内筒壁25与杆体38之间的静态氦气传递热量。

进一步的说，低温节流阀17通过一级阀门热沉21和二级阀门热沉22分别耦接在一级热辐射屏2和二级热辐射屏3上，且低温节流阀17的大气端旋钮54位于真空外壳1外、低温节流阀17的阀杆19分别通过室温端密封55和低温端16密封进行密封处理且阀杆19与阀壁18采用限位块20定位。低温节流阀17通过大气端旋钮54调节阀针行程实现流量和温度调节，阀杆19与阀壁18均使用高强度低热导率材料。

本发明提供了一种基于gm制冷机冷却的低振动低温磁场测量装置，该装置使用4kgm制冷机4为冷源，冷却低温超导磁体51及液化循环氦气。采用低温节流阀17节流循环液氦提供1.5k以下的温度，通过静态导冷气为测试样本提供制冷量。

本发明装置的示例性实施方式由图1给出。该装置包括真空外壳1，真空外壳1可由任意适合的金属材料如304不锈钢制成，真空外壳1内抽真空以实现绝热功能；该真空外壳1通过外壳减振器58连接在金属底板59上，外壳减振器58可选用贝尔金气浮减振器bk-a。

如图1所示，该低振动低温装置包括一级热辐射屏2及二级热辐射屏3，所述冷屏由高导热材料（如无氧铜）制成，并进行低表面发射率处理（如表面镀金/包裹多层绝热材料）。所述冷屏由绝热吊杆（可用玻璃纤维-环氧树脂复合材料制成）43固定在真空外壳1上。

如图1所示，该装置包括4kgm制冷机4及制冷机腔体6。所述制冷机4通过减振波纹管5与所述制冷机腔体6连接，所述gm制冷机4通过制冷机减振器53、金属支撑梁56及立柱57连接到底板9上，通过波纹管、氦气腔及减振器隔离gm制冷机4的振动。制冷机腔体6在对应gm制冷机4的一级冷头及二级冷头的位置设有高导热材料（如无氧铜）制成的换热器，以强化与氦气的换热。同时制冷机腔体6在对应gm制冷机4的一级冷头及二级冷头的位置与一级热辐射屏2、二级热辐射屏3热耦接，以冷却热辐射屏。

如图1所示，该装置包括液氦容器11、过滤器15、低温节流阀17及连接管道。液氦容器11采用高导热材料（如无氧铜）制成，液氦容器11与磁体热耦接板13的连接位置处设有高导热材料（如无氧铜）制成的接板换热器12，以强化传热。过滤器15采用金属材料制成，用于过滤液氦中的固体颗粒杂质，以防阻塞管道。低温节流阀17由低导热金属材料（如不锈钢）制成以降低漏热，大气端旋钮54调节阀针行程可实现流量和温度调节，阀杆19分别通过室温端密封55和低温端密封16进行密封处理，防止气体泄漏；阀杆19与阀壁18采用限位块20定位，低温节流阀17通过一级阀门热沉21、二级阀门热沉22对应热耦接在一级热辐射屏2、二级热辐射屏3上，以降低漏热。

如图1所示，该装置包括低温超导磁体51、样本测试腔体40及样本测试杆42，低温超导磁体51通过高强度低热导材质（如不锈钢材质）的接板吊杆44固定在真空外壳1上，接板吊杆44通过相应的热沉热耦接在一级热辐射屏2、二级热辐射屏3上，以降低漏热。低温超导磁体51的磁体引线47通过穿真空接口48进入真空外壳1内，并通过热沉一级引线热沉49、二级引线热沉50热耦接在一级热辐射屏2、二级热辐射屏3上，以降低漏热。低温超导磁体51通过磁体热耦接板13与液氦容器11连接，由液氦提供并维持所述低温超导磁体51所需的低温环境。样本测试腔体40与低温超导磁体51同轴心布置，并在低温超导磁体51的上端面处通过低导热高强度材质（如不锈钢）的绝热板24刚性连接，以避免相对振动。样本测试腔体40通过一级腔体热沉热沉35、二级腔体热沉36热耦接在一级热辐射屏2、二级热辐射屏3上，以降低漏热。样本测试杆42于室温处与样本测试腔体40通过腔体法兰41连接，实现样本测试空间的密封。样本测试腔体40分为上下两段，下段52为高导热材料（如无氧铜）筒体，上段为低导热材料（如不锈钢）同心筒体。样本测试腔体40的上段内外筒体之间分布防热辐射环片37，内外筒体底部设有防超流氦爬行的限流环34，防热辐射环片37和限流环34的材质均为金属（如不锈钢）。

如图1所示，该装置包括外部循环泵28、系统进气阀32、气体接口阀31及连接管道。外部循环泵（真空干泵）28通过循环泵减振器29连接到底板59上，外部循环泵28与测试腔体出气口26、制冷腔体进气口30的连接管路均为减振波纹管，以降低外部循环泵28的振动对样本测试的影响。系统进气阀32用于向系统管道内补充氦气，样本测试腔体40的气体接口阀31用于样本测试杆42更换前后的充气及抽气操作。

本发明的装置的冷却分布及冷却剂流如下所述，该装置使用氦气及液氦从gm制冷机4的冷头处传递冷量至被冷部件处。进入制冷腔体进气口30的氦气通过与gm制冷机4的两级冷头的热交换温度降低直至液化，液氦经液氦管道10进入液氦容器11。其中冷氦气通过一级换热器7冷却一级热辐射屏2，液氦通过二级换热器8冷却二级热辐射屏3，液氦通过接板换热器12、磁体热耦接板13冷却低温超导磁体51。液氦容器11中的液氦经低温节流阀17节流后进入样本测试腔体40内蒸发，为样本供冷。氦气经外筒体24、内筒体25间的夹层从测试腔体出气口26抽出，经外部循环泵28增压后再次进入制冷腔体进气口30。样本测试腔体40上段的内筒体25内部充有静态氦气，将冷量由外筒体24与内筒体25间的夹层传递至样本。

由于低温超导磁体51有较大的冷质量，需充分使用gm制冷机4的冷量以减小降温时间。连接制冷腔体出液口9至液氦容器11间的液氦管道10采用大口径金属管，液氦经液氦管道10流入液氦容器11，蒸发后原路返回制冷机腔体6的底部液化，行成对流加速降温。

本发明的装置中的液氦采用低温节流阀17节流降温实现样本测试腔体40内的1.5k的低温，低温节流阀17可根据冷却需要通过大气端旋钮54调节开度，通过低温节流阀17的液氦的供应速率约为0-2.2mg/s。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。