硅冷卻臂液氫溫區(qū)控溫及熱傳導(dǎo)特性研究.pdf

1、慣性約束聚變反應(yīng)對低溫冷凍靶的均勻一致性有著很高的要求,特別是需要嚴格控制靶丸內(nèi)部燃料固態(tài)層內(nèi)表面的粗糙度。而靶丸的制備與保存必須提供穩(wěn)定的液氫溫區(qū)附近的低溫環(huán)境;同時,為了監(jiān)測靶丸的質(zhì)量,設(shè)置了成像診斷系統(tǒng),該系統(tǒng)要求目標溫度波動在1 mK以內(nèi)。燃料靶丸所在的空腔由硅冷卻臂夾持,采用硅作為冷卻臂材料的主要原因是它在低溫下具有極高的熱導(dǎo)率,冷量經(jīng)由硅冷卻臂的傳遞速度非?？?易于對空腔溫度進行精確控制。 綜合以上要求,本課題搭建了一

2、套工作于液氫溫區(qū)的低溫系統(tǒng),以硅冷卻臂為研究對象,研究硅冷卻臂上實現(xiàn)波動度在1 mK以內(nèi)的溫度控制的方法以及硅冷卻臂在系統(tǒng)中的熱傳導(dǎo)性能。
　　首先,本文工作采用簡化后的硅片結(jié)構(gòu)作為研究對象,為其設(shè)計并搭建了一套液氫溫區(qū)控溫及熱傳導(dǎo)特性實驗系統(tǒng)。包括真空腔、樣品座及夾具的設(shè)計與加工制造,冷屏與多層絕熱的制作與布置,制冷機、真空機組的選型與連接等。另外,該系統(tǒng)中還包含專用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),基于LabVIEW圖形化編程軟件,對系統(tǒng)中所使

3、用的控溫儀、溫度巡檢儀、數(shù)據(jù)采集儀等的控制與數(shù)據(jù)讀取整合至一個LabVIEW程序內(nèi),進行數(shù)據(jù)的自動讀取與儲存。
　　溫度是本課題最主要的測量對象,本文工作為此購置了一批溫度傳感器。由于傳感器數(shù)量較多,并非所有的溫度計都有標定數(shù)據(jù),因此在實驗開始前需對每一支溫度計進行細致的標定。為此,在搭好的同一實驗臺的基礎(chǔ)上,額外設(shè)計與加工了一個方便布置大量溫度計的樣品座,專門用于溫度計的標定實驗。通過標定實驗,不僅成功對所有溫度計進行了標定以滿

4、足使用要求,同時也對各類溫度計的特性及適用溫區(qū)有了較好的總結(jié)。
　　在對硅片進行實驗之前,本文先對樣品座上的控溫效果進行了研究,以對實驗系統(tǒng)自身的控溫性能進行分析與優(yōu)化。所選取的控溫對象是用于與硅片連接的樣品座熱沉,考察的影響控溫效果的因素包括溫度計自身的激勵、控溫的方式、樣品座的熱容大小以及是否增加二級冷屏。通過大量的對比實驗,比較了各個因素對溫度控制中抑制波動度的貢獻,并最終找到了優(yōu)化系統(tǒng)控溫效果的有效方案。
　　硅冷卻