一种真空低温装置的平衡调节结构和调节方法

1.本发明涉及真空低温实验技术领域，特别是涉及一种真空低温装置的平衡调节结构和调节方法。


背景技术：

2.在真空低温实验技术领域中，真空低温装置中实验装置的平衡姿态往往对实验的结果产生重要影响。现有技术中，通常在室温下对实验装置进行尽可能的平衡调节以保证到低温下的平衡，但是由于材料热收缩系数的不同、温度梯度的存在，装置到真空低温下的平衡状态就会发生不可避免的改变。虽然可以在室温下将这些因素考虑进去以对实验装置进行平衡调节，但是仍然存在一些因素让降温过程中的实验装置失去平衡，如一些负刚度系数的结构。也就是说，现有的平衡调节方式无法满足在低温真空状态下的实验装置进行平衡调节的要求。因为在液氦液氮温度等低温环境下，几乎所有材料都被冻硬，甚至很多材料都变脆，常温下的很多平衡调节方法失效或者无法采用。如常温下滑块、螺栓等平衡调节方法，在低温下这些方法就需要复杂的动作机构，会带来漏热、噪音、结构复杂、影响真空等问题，而且真空低温下的精密装置无法进行直观的操作，因此现有的动作机构无法满足真空低温环境下对实验装置进行平衡调节的要求。


技术实现要素：

3.本发明的目的是，提供一种真空低温装置的平衡调节结构和调节方法，所述平衡调节结构结构简单，平衡调节方式简单，能够在真空低温环境下对实验装置进行高精度的平衡调节，解决了真空低温环境中难以进行平衡调节的技术问题。
4.本发明在一方面提供了一种真空低温装置的平衡调节结构，所述平衡调节结构包括至少两个调节机构，所述调节机构安装在所述真空低温装置内的实验装置的外侧，其中各所述调节机构包括低导热棒、固定在低导热棒末端的加热器组件以及检测模块，所述检测模块用于检测所述实验装置的倾斜位置，所述加热器组件包括加热器和吸气剂，所述平衡调节结构基于所述检测模块检测到的所述实验装置的倾斜位置，控制所述加热器加热处于相应倾斜位置的所述吸气剂，以使得所述吸气剂放出气体而减轻相应倾斜位置的重量，从而调节所述实验装置的倾斜状态，以此实现所述实验装置的平衡调节。
5.在本发明的一实施例中，所述吸气剂具有临界温度，在临界温度之下，所述吸气剂能够吸收所述真空低温装置内的工作气体以确保真空，在临界温度之上，所述吸气剂能够释放所吸收的所述工作气体以减轻重量，其中所述工作气体的液化温度和所述临界温度均不低于所述实验装置的工作温度。
6.在本发明的一实施例中，所述吸气剂为活性炭。
7.在本发明的一实施例中，所述平衡调节结构还包括包裹在所述加热器组件之外的包裹层，所述包裹层与所述加热器组件之间存在间隙，所述包裹层设有多个开孔以供所述工作气体进出。
8.在本发明的一实施例中，所述包裹层由多层反射材料制成。
9.在本发明的一实施例中，所述低导热棒采用聚四氟乙烯或g10制成。
10.在本发明的一实施例中，所述平衡调节结构包括三个所述调节机构，三个所述调节机构之间以相互呈120
°
的状态均布安装在所述实验装置的外侧。
11.在本发明的一实施例中，所述检测模块为光学式传感器或电容式传感器。
12.本发明在另一方面还提供了一种真空低温装置的平衡调节结构的调节方法，包括步骤：
13.s1、所述真空低温装置内的所述实验装置降温到工作温度，从所述真空低温装置的腔体内吸入工作气体，所述平衡调节结构的所述检测模块检测所述实验装置的倾斜位置；和
14.s2、基于所述检测模块所检测到的所述实验装置的倾斜位置，控制所述加热器加热相应倾斜位置的所述吸气剂，以使得所述吸气剂放出气体而减轻相应倾斜位置的重量，从而调节所述实验装置的倾斜状态。
15.在本发明的一实施例中，所述吸气剂具有临界温度，所述工作气体的液化温度和所述临界温度均不低于所述实验装置的工作温度，在所述实验装置降温到工作温度时，所述吸气剂能够吸收所述真空低温装置内的所述工作气体以确保真空，在所述吸气剂被加热到所述临界温度之上时，所述吸气剂释放所吸收的所述工作气体以减轻相应倾斜位置的重量，从而调节所述实验装置的倾斜状态。
16.本发明的所述平衡调节结构通过控制加热吸气剂以减轻相应倾斜位置的重量的方式，调节所述真空低温装置内的实验装置的倾斜状态，从而实现对所述实验装置的高精度平衡调节。而且所述平衡调节结构通过采用低导热棒和弱热辐射的包裹层的结构，能够确保加热器的热能能够尽可能地被吸气剂吸收，以减弱加热器的热量对真空低温环境下的实验装置产生影响，同时也减弱了所述实验装置对吸气剂辐射冷量。另外，所述平衡调节结构可实现真空低温环境中的装置的高精度的平衡调节，具有无运动部件，结构简单，成本低，调节方便的优点，不对实验装置的工作形成干扰，不引入噪音。
17.通过对随后的描述和附图的理解，本发明进一步的目的和优势将得以充分体现。
附图说明
18.图1为根据本发明的一优选实施例的所述平衡调节结构的结构示意图。
19.图2为根据本发明的上述优选实施例的所述平衡调节结构用于真空低温装置中对实验装置进行平衡调节的使用示意图。
20.附图标号说明：平衡调节结构10；调节机构11；低导热棒111；加热器组件112；加热器113；吸气剂114；包裹层115；真空低温装置100；真空腔110；腔体101；室温端盖120；实验装置130；吊索140。
具体实施方式
21.以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背
离本发明的精神和范围的其他技术方案。
22.本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
23.可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
24.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
25.如图1和图2所示，根据本发明的一优选实施例的真空低温装置100及其平衡调节结构10的具体结构被阐明。
26.如图1和图2所示，所述平衡调节结构10包括至少两个调节机构11，所述调节机构11安装在所述真空低温装置100内的实验装置130的外侧，其中各所述调节机构11包括低导热棒111、固定在低导热棒111末端的加热器组件112以及检测模块，所述检测模块用于检测所述实验装置130的倾斜位置，所述加热器组件112包括加热器113和吸气剂114，所述平衡调节结构10基于所述检测模块检测到的所述实验装置130的倾斜位置，控制所述加热器113加热处于相应倾斜位置的所述吸气剂114，以使得所述吸气剂114放出气体而减轻相应倾斜位置的重量，从而调节所述实验装置130的倾斜状态，以此实现所述实验装置的平衡调节。
27.特别地，所述吸气剂114具有临界温度t0，在临界温度t0之下时，所述吸气剂114能够吸收所述真空低温装置100内的工作气体，以实现所述真空低温装置100的腔体101内的高真空度，当所述加热器113加热所述吸气剂114至临界温度t0之上时，所述吸气剂114能够放出工作气体以减轻重量，因此，通过控制所述加热器113加热位于相应倾斜位置的所述吸气剂114的方式，能够高精度地调节所述实验装置130的平衡位置。通过这样的调节方式，本发明的所述平衡调节结构10具有无运动部件，结构简单，成本低，调节方便的优点，不对实验装置130的工作形成干扰，不引入噪音，仅需要增加所述加热器113的加热引线和温度计引线,选用低导热合金线，如磷青铜线，增加的漏热量小。
28.值得一提的是，所述工作气体的液化温度和所述临界温度均不低于所述实验装置130的工作温度。以此在所述实验装置130降温至工作温度且所述真空低温装置100的腔体内吸入工作气体时，所述吸气剂114吸入所述工作气体以确保所述真空低温装置100的真空度，并在所述检测模块实时检测到所述实验装置130时产生倾斜时，实时控制所述加热器113加热所述吸气剂114至高于所述临界温度t0的温度，则所述吸气剂114能够释放所述工作气体以减轻相应倾斜位置的重量，从而实现对所述实验装置130的位姿的实时调整。
29.此外，还值得一提的是，所述检测模块可以为布置在所述真空低温装置100外部的光学式传感器，也可以为布置在所述真空低温装置100的真空腔110内部的电容式传感器，
用于实时检测所述实验装置130的倾斜位置。
30.具体地，在本发明的这一优选实施例中，所述吸气剂114为活性炭。
31.进一步地，所述平衡调节结构10还包括间隔包裹在所述加热器组件112之外的包裹层115，所述包裹层115设有多个开孔以供所述工作气体进出，在所述真空低温装置100处于真空状态时，所述吸气剂114能够经由所述多个开孔吸收所述真空低温装置100的腔体101内的气体以确保真空状态，在需要对所述实验装置130进行平衡调节时，所述吸气剂114被加热所释放的气体能够经由所述包裹层115的所述多个开孔排出。
32.值得一提的是，本发明对所述包裹层115设有的所述开孔的数量和大小不作限制。
33.特别地，所述包裹层115为弱热辐射层，可以采用真空辐射反射绝热材料(如高反射率的镀铝膜)制成。所述包裹层115为弱热辐射层的作用为：(1)保证加热器113的热量尽可能被吸气剂114吸收；(2)减弱加热器113热量对实验装置130的影响，也减弱实验装置130对吸气剂114辐射冷量。
34.在本发明的这一实施例中，所述包裹层115连接于所述低导热棒111，且所述包裹层115形成一容纳腔，以将所述加热器组件112容纳于其内，所述包裹层115间隔悬空于所述吸气剂114之上，以避免贴附于所述吸气剂114而影响所述吸气剂114的工作。也就是说，所述加热器组件112和所述包裹层115之间具有一定间隙。可以理解的是，在本发明的这一实施例中，所述包裹层115为一球状结构，在本发明的一些实施中，所述包裹层115也可以为四方体形、多边体形等形状的结构，本发明对所述包裹层115的形状和结构不作限制。
35.所述低导热棒111可以选用聚四氟乙烯或g10等低导热的有机物，其中g10是一种由玻璃纤维布与环氧树脂所合成的复合材料。所述低导热棒111与所述包裹层115(即弱热辐射层)的作用相同，能够确保所述加热器113的热量尽可能地被所述吸气剂114吸收，并能够减弱所述加热器113的热量对所述实验装置130的影响，也减弱所述实验装置130对所述吸气剂114辐射冷量。可以理解的是，所述低导热棒111采用低导热率的材料或所述低导热棒111更长、更细都会进一步减小所述低导热棒111的热传导。所述低导热棒111的长度越长，在同样的所述吸气剂114和所述加热器113的情况下，所述吸气剂114的同样的重量的变化对所述实验装置130的平衡的影响越大。
36.如图2所示，所述平衡调节结构10被用于所述真空低温装置100中具体进行平衡调节的步骤被示意。
37.具体地，所述真空低温装置100包括真空腔110，盖设于所述真空腔110的室温端盖120、设置于所述真空腔110内的实验装置130以及连接所述实验装置130的吊索140，所述真空腔110具有所述腔体101，所述实验装置130设置于所述腔体101内。在本发明的这一实施例中，所述平衡调节结构10包括三个所述调节机构11，三个所述调节机构11呈120
°
均布安装在所述真空低温装置100内的实验装置130外侧。各所述调节机构11包括所述低导热棒111、所述加热器组件112以及所述包裹层115。
38.更具体地，本申请的所述平衡调节结构10用于调节所述实验装置130的平衡的具体步骤为：
39.s1、所述真空低温装置100内的所述实验装置130降温到工作温度，从所述真空低温装置100的所述腔体101内吸入工作气体，所述平衡调节结构10的所述检测模块检测所述实验装置130的倾斜位置；和
40.s2、基于所述检测模块所检测到的所述实验装置130的倾斜位置，控制所述加热器113加热相应倾斜位置的所述吸气剂114，以使得所述吸气剂114放出所述工作气体而减轻相应倾斜位置的重量，从而调节所述实验装置130的倾斜状态。
41.也就是说，申请的所述平衡调节结构10的工作原理为：所述吸气剂具有临界温度，所述工作气体的液化温度和所述临界温度均不低于所述实验装置的工作温度，在常温下进行所述真空低温装置100的基本的平衡调节之后，所述实验装置130按步骤降温到工作温度，给腔体101吸入一定量的工作气体时，所述吸气剂114能够吸收所述真空低温装置100内的所述工作气体以确保真空。进一步地，所述检测模块检测和判断所述实验装置130倾斜的姿态和程度。基于所述检测模块所检测到的所述实验装置130的倾斜位置，控制所述加热器113加热位于相应倾斜位置的所述吸气剂114到临界温度t0以上，使得相应倾斜位置的所述吸气剂114放出所述工作气体，减轻相应倾斜位置的重量，从而使得所述实验装置130的倾斜状态发生变化，重复此过程，就能逐渐使所述实验装置130实现高精度的平衡。
42.可以理解的是，所述吸气剂114一般存在吸气能力，调节极限不会超过所述吸气剂114的吸气能力。这种平衡调节方法是一种实现高精度平衡的方法，更适用于已经实现了一定水平平衡的装置。
43.具体地，在本发明的这一优选实施例中，所述吸气剂114采用低温活性炭，低温活性炭吸气剂的临界温度t0≈40k，所述实验装置130的工作在4k，因为在低温下材料的热容都变得很小，所述加热器113工作后，活性炭响应速度快。可以通过控制所述加热器113的电压或电流以及持续加热时间来控制活性炭放出气体的量，通过反复多次的加热实现所述实验装置130的平衡调节。也就是说，本发明可以通过控制所述加热器113的加速速率的方式来实现对所述实验装置130的高精度平衡调节。
44.可以理解的是，根据所述加热器113的量，控制加热速率在合理范围内，一方面确保加热效果使得所述吸气剂114能够地放出气体，另一方面使得所述加热器113的热量尽可能不影响所述实验装置130。
45.还可以理解的是，在本发明的一些实施例中，所述平衡调节结构10可以包括两个所述调节机构11，在所述平衡调节结构10包括两个所述调节机构11时，等效于通过调节三个调节机构中的两个的方式对所述实验装置130进行平衡调节，即两个所述调节机构11也呈120
°
地设置在所述实验装置130的外侧。这样的布置结构适用于空间有限，只能布置两个调节机构的情形。也就是说，本发明对所述调节机构11的数量不作限制。
46.总的来讲，本发明的所述平衡调节结构10通过控制加热吸气剂114以减轻相应倾斜位置的重量的方式，调节所述真空低温装置100内的实验装置130的倾斜状态，从而实现对所述实验装置130的高精度平衡调节。而且所述平衡调节结构10通过采用低导热棒111和弱热辐射的包裹层115的结构，能够确保加热器113的热能能够尽可能地被吸气剂114吸收，以减弱加热器113的热量对真空低温环境下的实验装置130产生影响，同时也减弱了所述实验装置130对吸气剂114辐射冷量。另外，所述平衡调节结构10可实现真空低温环境中的装置的高精度的平衡调节，具有无运动部件，结构简单，成本低，调节方便的优点，不对实验装置130的工作形成干扰，不引入噪音。
47.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛
盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
48.以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。