本发明涉及低温温度控制技术领域，尤其涉及一种低温恒温器。
背景技术
近年来，随着小型制冷机技术的迅速发展，特别是商用的g-m制冷机、脉管制冷机在冷量和性能方面都有了巨大的进步，以制冷机为冷源的低温系统得到了越来越广泛的应用。它们被广泛应用于低温下热物性的测量、低温下机械性能实验、小型超导磁体的冷却、红外遥感、超导电子学等领域。与以低温液体为冷源的低温系统相比，以制冷机为冷源的低温系统结构更加简单，操作方便，不需要消耗低温液体，运行成本低。然而，目前广泛使用的机械式低温制冷机采用的都是回热式制冷原理，工质气体在制冷机系统内以一定的频率往复运动，会给被冷却的样品带来较大的机械振动和温度波动(典型值达到±0.1～0.2k)，无法满足物性测试、低温温度标定等领域对温度高稳定性(mk量级)的需求。
技术实现要素：
鉴于此，有必要提供一种能够提高温度稳定性的低温恒温器。
一种低温恒温器，包括制冷机、氦气源和氦容器；
所述制冷机用于提供冷量；
所述氦气源与所述氦容器连通，所述氦气源用于向所述氦容器输送氦气；
所述氦容器与所述制冷机的一级冷头连接，所述制冷机将所述氦容器内的氦气冷却为液氦或者超临界氦，所述氦容器和控温对象连接。
在一个实施例中，所述氦容器内设有翅片或圆管。
在一个实施例中，还包括换热器，所述换热器设于所述制冷机的一级冷头上，所述换热器的进口和所述氦气源连接，所述换热器的出口和所述氦容器连接，所述换热器用于氦气的预冷。
在一个实施例中，还包括压力控制器，所述压力控制器设于所述氦容器与所述氦气源之间。
在一个实施例中，还包括热阻片，所述热阻片设于所述氦容器和控温对象之间。
在一个实施例中，还包括加热器，所述加热器设于所述控温对象上。
在一个实施例中，还包括第一温度计、第二温度计和第三温度计和控温系统，所述第一温度计、所述第二温度计、所述第三温度计、所述加热器均和所述控温系统连接，所述第一温度计设于所述一级冷头上，所述第二温度计设于所述氦容器的底部，所述第三温度计设于所述控温对象上。
在一个实施例中，还包括第一级热防护屏，所述控温对象设于所述第一级热防护屏内。
在一个实施例中，还包括第二级热防护屏，所述制冷机的一级冷头、所述氦容器和所述第一级热防护屏均设于所述第二级热防护屏内。
在一个实施例中，还包括真空筒体，所述第二级热防护屏设于所述真空筒体内。
上述低温恒温器，通过制冷机将氦容器内的氦气冷却为液氦或者超临界氦，此时氦容器内的氦的密度将达到100kg/m3以上，由于氦在低温下仍能保持较大的比热容(2000j/(kg·k)以上)，因此可以有效用于抑制制冷机一级冷头造成的温度波动，大大提高低温冷源的温度稳定性。上述低温恒温器，可以利用机械式制冷机实现mk量级波动的高稳定性低温温度控制的过程。
附图说明
图1为一实施方式的低温恒温器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一实施方式的低温恒温器100，包括制冷机10、氦气源20和氦容器30。
制冷机10用于提供冷量。
氦气源20与氦容器30连通，氦气源20用于向氦容器30输送氦气。
氦容器30与制冷机10的一级冷头12连接，制冷机10将氦容器30内的氦气冷却为液氦或者超临界氦，氦容器30和控温对象40连接。具体的，在图1所示的实施方式中，氦容器30的底部和控温对象40连接。
上述低温恒温器100，通过制冷机10将氦容器30内的氦气冷却为液氦或者超临界氦，此时氦容器30内的氦的密度将达到100kg/m3以上，由于氦在低温下仍能保持较大的比热容(2000j/(kg·k)以上)，因此可以有效用于抑制制冷机一级冷头12造成的温度波动，大大提高低温冷源的温度稳定性。
可以理解，制冷机10为机械式低温制冷机，包括但不限于gm制冷机、脉冲管制冷机、斯特林制冷机等。制冷机10和压缩机14连通。
在如图1所示的实施方式中，氦容器30内还设有翅片或圆管等抑制结构(图未示)。由于重力和对控温对象40的控温加热，超临界氦或者液氦不可避免的会产生自热对流，并因之产生低频的温度波动，通过在氦容器30内设置翅片、圆管等结构可以抑制液氦或者超临界氦的自然对流，可以对液氦的饱和蒸气压或者超临界氦的气体压力进行了稳定性控制，温度的稳定性更好。
如图1所示的低温恒温器100还包括换热器50。换热器50设于制冷机10的一级冷头12上，换热器50的冷量来源于制冷机10的一级冷头12。换热器50的进口和氦气源20连接，换热器50的出口和氦容器30连接，换热器50用于氦气的预冷。
在一个实施方式中，低温恒温器100还包括压力控制器60，压力控制器60设于氦容器30与氦气源20之间。如图1所示的低温恒温器100中，压力控制器60设于换热器50和氦气源20之间。超临界氦的状态介于气态与液态之间，其压力的波动变化会影响氦容器30的底部的控温对象的温度变化，液氦的温度与其饱和蒸气压的大小相关，压力的波动直接会造成液氦温度的变化，也会影响氦容器30的底部的控温对象40的温度变化。因此，通过采用压力控制器60对氦容器30内的压力进行控制，可以进一步减少温度波动的幅值。
如图1所示的低温恒温器还包括加热器70，加热器70设于控温对象40上。
如图1所示的低温恒温器还包括第一温度计72、第二温度计74和第三温度计76和控温系统(图未示)。第一温度计72、第二温度计74、第三温度计76、加热器70均和控温系统连接。第一温度计72设于一级冷头12上，第二温度计74设于氦容器30的底部，第三温度计76设于控温对象40上。其中第一温度计72用于测量和监控制冷机一级冷头12的温度，第二温度计74用于测量和监控氦容器底部的温度。通过第三温度计76检测控温对象40的温度，通过比较控温对象40的温度和目标温度之间的差值，采用控温系统控制调节加热器70对控温对象40的加热量，从而调节控温对象40的温度，在控温对象40获得目标温度的同时，可以进一步提高控温对象40的温度稳定性。控温系统可以为pid控制器。
如图1所示的低温恒温器还包括热阻片80，热阻片80设于氦容器30和控温对象40之间。通过设置热阻片80将低温冷源与控温对象40隔开，可以利用热阻对低温温度波动的抑制作用。
如图1所示的低温恒温器100还包括第一级热防护屏92，控温对象40设于第一级热防护屏92内。第一级防护屏92可以减少控温对象40的漏冷损失，提高控温对象40的温度稳定性。
进一步的，低温恒温器100还包括第二级热防护屏94，制冷机10的一级冷头12、氦容器30和第一级热防护屏92均设于第二级热防护屏94内。第二级防护屏94可以减少制冷机10的一级冷头12、氦容器30和第一级热防护屏92的漏冷损失，进一步提高控温对象40的温度稳定性。
更进一步的，低温恒温器100还包括真空筒体96，第二级热防护94屏设于真空筒体96内。真空筒体96和抽真空系统98连接。抽真空系统98用于给真空筒体96抽真空。真空筒体96可以进一步降低漏冷损失，提高控温对象40的温度稳定性。
上述低温恒温器100相较于液氦系统，系统结构简单，少了很多控制阀门及管道。成本低廉，除了在该过程中需要一定的电力供应外，没有其他成本输入。而液氦系统，液氦消耗量大，成本很高。相较于纯粹利用热阻片抑制温度波动的机械式制冷机恒温系统，上述低温恒温器100制冷量损失较小，控温范围较大，且冷源温度分布更为均匀。相较于纯粹的机械式制冷机液化系统，由于采用了自然对流的抑制装置，同时对液氦的饱和蒸气压或者超临界氦的气体压力进行了稳定性控制，温度的稳定性更好。运行稳定，可实现自动控制。
上述低温恒温器100，可以利用机械式制冷机实现mk量级波动的高稳定性低温温度控制的过程。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。