脈沖強磁場科學實驗用GM制冷機低溫恒溫器的研制與實驗研究.pdf

1、隨著科學與技術的飛速發(fā)展,脈沖強磁場下的科學研究愈來愈顯現(xiàn)出它的重要作用。在脈沖強磁場下開展科學研究,尤其是觀察量子物理現(xiàn)象,需要克服物質(zhì)熱效應的影響,因此需要使物質(zhì)處于低溫的狀態(tài)下開展科學研究。為了給脈沖強磁場下的科學研究提供低溫環(huán)境,需要使用低溫制冷技術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實驗的低溫恒溫器是脈沖強磁場科學研究的硬件基礎。
　　目前脈沖強磁場下科學研究用低溫恒溫器

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、下科學實驗的重要因素。而導熱絲型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研究對于更低溫度的要求。因此設計一套應用于脈沖強磁場下科學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的最低溫度的設計思想,進行了GM制冷機低溫恒溫器的結(jié)構(gòu)設計和熱分析,研制出了第一臺可用于脈沖強磁場下科學實驗的樣機,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用于脈沖強磁場下科學實驗的可行性。
　　該低溫恒溫器利用GM制冷機的冷量將常溫的氦氣液化,并導入科學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計要點,并針對脈沖強磁場下科學實驗特殊情況,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