脈沖強磁場科學(xué)實驗用GM制冷機低溫恒溫器的研制與實驗研究.pdf

1、隨著科學(xué)與技術(shù)的飛速發(fā)展,脈沖強磁場下的科學(xué)研究愈來愈顯現(xiàn)出它的重要作用。在脈沖強磁場下開展科學(xué)研究,尤其是觀察量子物理現(xiàn)象,需要克服物質(zhì)熱效應(yīng)的影響,因此需要使物質(zhì)處于低溫的狀態(tài)下開展科學(xué)研究。為了給脈沖強磁場下的科學(xué)研究提供低溫環(huán)境,需要使用低溫制冷技術(shù)將研究的樣品冷卻至低溫,而實現(xiàn)這一功能的裝置是低溫恒溫器。因此研究用于脈沖強磁場下科學(xué)實驗的低溫恒溫器是脈沖強磁場科學(xué)研究的硬件基礎(chǔ)。
　　目前脈沖強磁場下科學(xué)研究用低溫恒溫器

2、主要為氦浸泡低溫恒溫器,稀釋制冷低溫恒溫器和氦三制冷低溫恒溫器這三種形式。國內(nèi)已開展了氦浸泡低溫恒溫器、氦流氣低溫恒溫器、氦三制冷低溫恒溫器、稀釋制冷低溫恒溫器和導(dǎo)熱絲型GM制冷機低溫恒溫器這五種形式的研究工作。其中氦浸泡低溫恒溫器是脈沖強磁場下科學(xué)研究最常用的低溫恒溫器,其最低溫度能達到1.5K左右。這幾種形式的低溫恒溫器除了導(dǎo)熱絲型GM制冷機低溫恒溫器外均需使用液氦作為冷源。這對于我國這樣的氦資源匱乏國家,液氦成為制約開展脈沖強磁場

3、下科學(xué)實驗的重要因素。而導(dǎo)熱絲型GM制冷機低溫恒溫器的最低溫度只能降到10K,滿足不了脈沖強磁場下科學(xué)研究對于更低溫度的要求。因此設(shè)計一套應(yīng)用于脈沖強磁場下科學(xué)實驗且能達到氦浸泡低溫恒溫器溫區(qū)的GM制冷機低溫恒溫器對于脈沖強磁場下科學(xué)研究具有重要意義。
　　本文基于利用GM制冷機作為冷源,無需加注液氦實現(xiàn)1.5K的最低溫度的設(shè)計思想,進行了GM制冷機低溫恒溫器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和熱分析,研制出了第一臺可用于脈沖強磁場下科學(xué)實驗的樣機,并在

4、樣機上開展了實驗研究工作,實驗結(jié)果驗證了GM制冷機低溫恒溫器應(yīng)用于脈沖強磁場下科學(xué)實驗的可行性。
　　該低溫恒溫器利用GM制冷機的冷量將常溫的氦氣液化,并導(dǎo)入科學(xué)實驗樣品所在樣品腔,通過減壓降溫的方法達到1.5K的最低溫度。本文開展了GM制冷機低溫恒溫器的各部件的傳熱分析和ANSYS溫度分布分析,依據(jù)分析結(jié)果,所選取GM制冷機及各換熱器能為樣品腔提供充足的冷量,并實現(xiàn)樣品腔內(nèi)4.2K及以下的溫度,從理論上論證了GM制冷機低溫恒溫器

5、的可行性。同時開展了該GM制冷機低溫恒溫器最低溫度分析,并得出了其最低溫度能夠達到1.5K的理論結(jié)果。在此基礎(chǔ)上,針對脈沖強磁場放電時渦流熱對該GM制冷機低溫恒溫器溫度穩(wěn)定性影響的特殊性,研究了在1.5K情況下進行60T脈沖強磁場放電時樣品腔溫度穩(wěn)定性的影響,結(jié)果顯示在最低溫度1.5K和最強磁場60T時能夠保證樣品腔溫度的穩(wěn)定。依據(jù)以上的分析結(jié)果和普通低溫恒溫器的設(shè)計要點,并針對脈沖強磁場下科學(xué)實驗特殊情況,重點對GM制冷機低溫恒溫器的

6、傳熱結(jié)構(gòu),材料選擇,密封與焊接,溫度的測量與控制以及真空系統(tǒng)進行了設(shè)計,采用了文中所述的GM制冷機低溫恒溫器結(jié)構(gòu)。
　　在以上理論分析的基礎(chǔ)上,作者研制了一套GM制冷機低溫恒溫器樣機。該樣機使用氦氣冷阱、多級預(yù)冷的螺線管換熱器和多孔冷凝換熱器實現(xiàn)常溫氦氣的冷凝,并通過液氦傳輸管導(dǎo)入1.5mm真空夾層樣品腔,實現(xiàn)樣品冷卻的目的。開展了低溫恒溫器樣機的降溫實驗和控溫實驗,對該低溫恒溫器的性能進行了測試。降溫實驗結(jié)果顯示,低溫恒溫器的最

7、低溫度能夠達到1.4K以下,優(yōu)于設(shè)計值1.5K,并能維持最長17分鐘的最低溫度,滿足毫秒量級的脈沖強磁場下的科學(xué)實驗要求?？販貙嶒灲Y(jié)果顯示在1.5K-5K控溫區(qū)間低溫恒溫器的控溫精度為±0.02K,在5K-20K控溫區(qū)間低溫恒溫器的控溫精度為±0.2K,在20K-300K控制區(qū)間低溫恒溫器的控溫精度為±0.1K。最后開展了脈沖強磁場下(Ga,Mn)As薄膜的電輸運實驗,得到了(Ga,Mn)As薄膜在不同溫度下的空穴濃度,從實驗上驗證了所