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計量學全金屬化4.2K至1.3K液氦杜瓦瓶裝置

點擊次數(shù):1137 更新時間:2021-03-05

采用低溫超導技術是某些計量學實踐中的發(fā)展方向。例如在光頻測量鏈中,如以超導腔穩(wěn)頻振蕩器(SC SO) 作為微波頻率源, 其短時頻率穩(wěn)定度可達1×10-13/10s, 這就需要將精密加工的鈮腔置于真空的樣品室中,而樣品室則浸泡在液氨里,通過減壓降溫過程獲得1.3K的溫度(腔溫可能比液氨高0.04K);這時腔的有載0值高達1×1010[1],1.3K溫度要求長久、穩(wěn)定地保持。又如把精密加工的鈮截止波導置于真空樣品室中,可以制成*消除了衰減常數(shù)計算式中電導修正項的一級衰減標準,只要把溫度降低到1.5K以下并保持之,衰減度有可能達到或優(yōu)于1×10-5221。這些例子表明,如何在樣品室較大的條件下獲得超低溫,乃是建立深冷條件下的計量標準所應首先解決的問題。本文就已制成的能容納較大樣品室、能獲得4.2K至1.3K間任意溫度、能連續(xù)使用幾晝夜的計量學全金屬化液氦杜瓦瓶裝置,簡要報導其設計過程及試驗結果。
1.減壓降溫考慮及模擬試驗
本裝置設計為4.2K及減壓降溫兩用。在瓶頸處有4個中40mm的氨氣回氣口(4.2K使用),或叫減壓降溫抽口(1.5或1.3K使用)?,F(xiàn)在的問題是怎樣設計內膽(也叫內筒)的容積。
文獻〔3]介紹過一種方法:把液池區(qū)分為內、外兩個結構,樣品室浸于內液池中,減壓降溫只對內液池進行,外液池總保持4.2K。此法可節(jié)省液氨,但只適合于連續(xù)工作幾小時的裝置,而不適合于連續(xù)工作幾晝夜的裝置。在后一情況下,為了補充液氨的消耗,每隔幾小時就需打開內、外液池間的閥門,結果造成液氦的溫度總在4.2K與1.3K之間波動。這是用于計量學試驗室的液氦杜瓦瓶裝置不允許的。因此我們采用直接對內膽減壓降溫的方案。問題是減壓降溫力真空表到1.3K要消耗多少液氨?文獻〔43認為:4.2K降溫到1.5K,液氨存留量為原有體積的火子千57%。這個數(shù)據(jù)需要檢驗,因此我們進行了模擬試驗,試驗裝置
如圖1。'
試驗用玻璃杜瓦瓶進行,內膽直徑150mm,容積15l。啟動真空泵前液氨液面高547mm,模擬試驗裝置。壓力表0Torr。啟動真空泵, 打開夾子, 液氦冒泡甚急, 壓力表針慢慢左移; 抽氣70分鐘后, 液面高407mm, 壓力表700Torr。這時又并聯(lián)一臺2X-8真空泵, 兩泵共同減壓。抽氣100分鐘后, 液面高395mm, 壓力表720Torr。由此可求出Ap=760-720=40Torr,查表得T=2,19K;現(xiàn)高度降低152mm,說明液氨抽走原體積的40.8%。這個結果與文獻[3]中給出的曲線相符。因此,確定本杜瓦裝置的**液氮注入量為60l,要求自然蒸發(fā)率不大于0.4l/h,48小時的蒸發(fā)消耗不大于20l。這些設計指標均已達到。
2.結構設計簡述
杜瓦瓶的結構及尺寸如圖2所示。內筒的設計十分重要。大于200mm的直徑,保證可以放人較大的樣品室。我們選用了有色金屬研究院特殊制造的“哈斯特羅管”(簡稱“哈管”),它是一種鎳基合金無縫管,內徑209.8mm,壁厚0.5mm,表面經過拋光。據(jù)實驗,強度og=60~110kg²,硬度Hg=187~219kg³,延伸率為0.2。把它裝在液氦杜瓦瓶內筒上部,效果很好,它引起的固體傳熱甚小。內筒的中段和下段是用無磁不銹鋼板(厚1mm)卷焊而成。下段的直徑與哈管相同。中段的直徑擴大為350mm,目的是增加液氦儲量。結果,d209.8的上段和下段,每厘米高度儲液0.343升;中350的中段,每厘米高度儲液6.962升。內筒總儲量超過60升。為了延長實驗工作時間, 必須努力降低平均蒸發(fā)率。美國Stanford大學的同類裝置達到了0.16l/h*1,這也是我們的努力方向。為改善絕熱采取了下列措施:
(1)內筒上段
壁薄,減小固體傳熱;
(2) 真空夾層要求壓強P<1×10-Torr, 并安排了20層鋁箔(厚

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