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液氦杜瓦瓶装置计量学 全金属化4.2K至1.3K

浏览次数:79发布日期:2021-03-05

采用低温超导技术是某些计量学实践中的发展方向。例如在光频测量链中,如以超导腔稳频振荡器(SC SO) 作为微波频率源, 其短时频率稳定度可达1×10-13/10s, 这就需要将精密加工的铌腔置于真空的样品室中,而样品室则浸泡在液氨里,通过减压降温过程获得1.3K的温度(腔温可能比液氨高0.04K);这时腔的有载0值高达1×1010[1],1.3K温度要求长久、稳定地保持。又如把精密加工的铌截止波导置于真空样品室中,可以制成完全消除了衰减常数计算式中电导修正项的一级衰减标准,只要把温度降低到1.5K以下并保持之,衰减精确度有可能达到或优于1×10-5221。这些例子表明,如何在样品室较大的条件下获得超低温,乃是建立深冷条件下的计量标准所应首先解决的问题。本文就已制成的能容纳较大样品室、能获得4.2K至1.3K间任意温度、能连续使用几昼夜的计量学全金属化液氦杜瓦瓶装置,简要报导其设计过程及试验结果。
1.减压降温考虑及模拟试验
本装置设计为4.2K及减压降温两用。在瓶颈处有4个中40mm的氨气回气口(4.2K使用),或叫减压降温抽口(1.5或1.3K使用)。现在的问题是怎样设计内胆(也叫内筒)的容积。
文献〔3]介绍过一种方法:把液池区分为内、外两个结构,样品室浸于内液池中,减压降温只对内液池进行,外液池总保持4.2K。此法可节省液氨,但只适合于连续工作几小时的装置,而不适合于连续工作几昼夜的装置。在后一情况下,为了补充液氨的消耗,每隔几小时就需打开内、外液池间的阀门,结果造成液氦的温度总在4.2K与1.3K之间波动。这是用于计量学试验室的液氦杜瓦瓶装置不允许的。因此我们采用直接对内胆减压降温的方案。问题是减压降温力真空表到1.3K要消耗多少液氨?文献〔43认为:4.2K降温到1.5K,液氨存留量为原有体积的火子千57%。这个数据需要检验,因此我们进行了模拟试验,试验装置
如图1。'
试验用玻璃杜瓦瓶进行,内胆直径150mm,容积15l。启动真空泵前液氨液面高547mm,模拟试验装置。压力表0Torr。启动真空泵, 打开夹子, 液氦冒泡甚急, 压力表针慢慢左移; 抽气70分钟后, 液面高407mm, 压力表700Torr。这时又并联一台2X-8真空泵, 两泵共同减压。抽气100分钟后, 液面高395mm, 压力表720Torr。由此可求出Ap=760-720=40Torr,查表得T=2,19K;现高度降低152mm,说明液氨抽走原体积的40.8%。这个结果与文献[3]中给出的曲线相符。因此,确定本杜瓦装置的**液氮注入量为60l,要求自然蒸发率不大于0.4l/h,48小时的蒸发消耗不大于20l。这些设计指标均已达到。
2.结构设计简述
杜瓦瓶的结构及尺寸如图2所示。内筒的设计十分重要。大于200mm的直径,保证可以放人较大的样品室。我们选用了有色金属研究院特殊制造的“哈斯特罗管”(简称“哈管”),它是一种镍基合金无缝管,内径209.8mm,壁厚0.5mm,表面经过抛光。据实验,强度og=60~110kg²,硬度Hg=187~219kg³,延伸率为0.2。把它装在液氦杜瓦瓶内筒上部,效果很好,它引起的固体传热甚小。内筒的中段和下段是用无磁不锈钢板(厚1mm)卷焊而成。下段的直径与哈管相同。中段的直径扩大为350mm,目的是增加液氦储量。结果,d209.8的上段和下段,每厘米高度储液0.343升;中350的中段,每厘米高度储液6.962升。内筒总储量超过60升。为了延长实验工作时间, 必须努力降低平均蒸发率。美国Stanford大学的同类装置达到了0.16l/h*1,这也是我们的努力方向。为改善绝热采取了下列措施:
(1)内筒上段
壁薄,减小固体传热;
(2) 真空夹层要求压强P<1×10-Torr, 并安排了20层铝箔(厚

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