专利名称：一种与液氦温度低温靶配套的实验系统的制作方法
技术领域：
本发明属于制冷及低温领域，涉及一种用于冲击压缩实验，通过与液氦温度低 温靶配套使用实现获得3.6K 80K之间任一温度均勻稳定液态样品的实验系统。
背景技术：
氢、氦元素是宇宙丰度最高的元素，其高温、高密度下的物态方程在地球物 理、天体物理和武器研究等方面有着广泛的应用背景，因此国内外均高度重视对氢、氦 等元素的高温高密度物态方程的研究。冲击压缩技术是研究物质高温、高密度物态方程 的主要实验途径，国外自上世纪60年代以来相继开展了有关低温液体的冲击压缩实验。 美国LIVERMORE实验室分别研制了用于工作环境为ICT3Pa下的液氦、液氘、液氢、液 氮、液氧和液氩等多种物质的冲击压缩实验的低温靶及其配套的实验系统。由于二级轻气炮实验技术接口的特殊原因，液氦温度低温靶(详见一种用于冲 击压缩实验的液氦温度低温靶专利)需要在约IOOPa的低真空、室温环境下工作，环境通 过靶板对样品室漏热更大，样品液化的难度更高，因此对于与液氦温度低温靶配套的实 验系统要求也更高，主要技术要求如下1、在3.6K 80K较大温区精确可控，能够直 接液化高纯氦、氢和氘等样品气体，直接用于液氦、液氢和液氘等低温靶实验系统。2、 样品液化后温度稳定、密度均勻。3、由于冲击压缩实验会使靶室产生瞬间高温高压， 尽量保护实验设备不受冲击压缩实验破坏，提供可重复使用。因此，为了满足上述技术 要求，实验系统的设计必须考虑1、精确的检测、控温系统；2、较好的排气及减压系 统；3、合适的真空系统；4、较好的系统保护。鉴于以上原因，我们研制出了与应用于IOOPa真空度环境下冲击压缩实验液氦温 度低温靶配套的实验系统，由于本实验系统配套的液氦温度低温靶具有以下几个独有的 设计1、具有真空夹层设计，且对真空度要求较高；2、具有加热丝的设计。因此与液 氦温度低温靶配套的实验系统与现有的实验系统相比，具有以下几个其它现有实验系统 不具备的子系统1、液氦温度低温靶具有真空夹层的设计且真空度要求较高，因此本实 验系统需具有一个高真空子系统。2、液氦温度低温靶具有加热设计，因此本实验系统 需具有一个控温子系统。3、液氦温度低温靶的工作原理基于减压降温，因此本实验系 统需具有一个排气及减压系统。本实验系统通过与液氦温度低温靶的结合使用实现获得 3.6K 80K任一稳定温度，并实现获得3.6K 80K之间任一温度的均勻稳定液态样品。 此外，该实验系统通过柔性接头和泵阀同步控制系统的设计保护了实验设备(液氦温度 低温靶除外)不受冲击压缩实验的破坏，实现实验设备(液氦温度低温靶除外)的可重复 使用，使冲击压缩实验能较经济地进行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种与液氦温度低温靶配套的实验系统，克服低温下可 拆卸密封、高真空获得、压强控制、温度控制和设备保护等困难，实现获得3.6K 80K之间任一温度的均勻稳定液态样品，实现实验设备(液氦温度低温靶除外)的可重复使 用。该实验系统已经成功应用于样品氦的冲击压缩实验。本发明的技术方案如下本发明提供的与液氦温度低温靶配套的实验系统，其包括一靶室20，所述靶室20顶端含有一个法兰接口 ；一液氦温度低温靶21 ；所述液氦温度低温靶21置于上述靶室20之内，所述液 氦温度低温靶21包括一气冷屏内筒，所述气冷屏内筒筒壁上刻有螺旋形凹槽；一紧密地套装于所述气冷屏内筒外壁上的气冷屏外筒；所述气冷屏外筒内壁与 所述气冷屏内筒筒壁上的螺旋形凹槽之间形成螺旋形气冷屏腔体10 ；所述气冷屏内筒和 气冷屏外筒等长形成气冷屏后端面和气冷屏前端面；分别盖于所述气冷屏后端面和气冷屏前端面的后挡板18和前挡板13 ；所述后挡 板18和前挡板13的中心处分别设有中心孔；装于所述前挡板13中心孔上并向气冷屏内 筒延伸的一颈管11;连接于所述颈管11端面上位于所述气冷屏内筒之内的一组件；连接 于所述组件和所述后挡板18之间的一波纹管1，所述波纹管1的内孔与所述后挡板18中 心孔相对并相通；所述组件包括一凸形柱体和一凸形圆筒体；所述凸形柱体由直径大的圆柱形后部和直径小的圆筒形前部组成，所述圆柱形 后部前端与所述圆筒形前部后端固定连接成一体；所述圆柱形后部后端面中心处设有一 圆形凹槽，一后盖19盖于所述圆形凹槽，所述圆形凹槽与后盖19之间形成一密闭液氦侧 池5;圆筒形前部的内筒深至所述圆柱形后部之内，所述圆筒形前部的内筒内装有一圆 形靶板8，所述圆筒形前部的内筒筒底与所述圆形靶板8之间形成密封样品室6 ；所述凸形圆筒体套装于所述凸形柱体的圆筒形前部筒壁之外，所述凸形圆筒直 径小的端面与所述圆柱形后部的前端面相连接，两者外径相等；所述凸形柱体的圆筒形 前部的前端面连接于所述的凸形圆筒体的筒底；所述凸形圆筒体的筒底设有与所述圆筒 形前部的筒径尺寸相等中心孔；所述凸形圆筒体与所述凸形柱体的圆筒形前部之间形成 液氦池9 ；所述气冷屏内筒与位于其内的各部件之间的空间形成真空夹层2 ；所述圆柱形 后部的柱面上环绕有加热丝4 ；所述的样品室6底面上设有中心连线呈两个同心圆上的12个通孔，其中六个通 孔均勻分布在两个同心圆的内圆上，其余六个通孔均勻分布在两个同心圆的外圆上，所 述外圆上六个通孔中有两个孔的中心连线与所述内圆上六个通孔中的两个孔的中心连线
相互垂直；所述后盖19分布与所述上述12个通孔对应的12个通孔；12根探针3分别从所述后盖19上的12个通孔和样品室6底面上的12个通孔穿 过，处于外圆上通孔中的探针顶部与靶板接触，处于内圆上通孔中的探针顶部与靶板之 间存有间隙；所述探针3的尾部位于所述波纹管1的内孔之内；所述颈管11管壁上环绕有回气绕管12，所述回气绕管12的一端与所述液氦池9 相连通，所述回气绕管12另一端与所述螺旋形气冷屏腔体10相连通；
所述气冷屏外筒筒壁上设有与所述螺旋形气冷屏腔体(10)相连通的氦蒸气出口 管16 ；一低温靶接头17穿过所述气冷屏外筒装于所述气冷屏内筒筒壁上，该低温靶接 头17内腔与所述真空夹层2相通；所述凸形柱体的变截面上设有三个通孔；所述密封液氦侧池5的环壁上均勻分布有四个孔，其中一个孔为通孔，其余为 盲孔；所述通孔与穿过所述低温靶接头17的氦气进口管15相连通；所述3个盲孔分别与 所述凸形柱体的变截面上的三个盲孔相连通；所述样品室6环壁上设有一个孔，该孔与穿过所述低温靶接头17的样品气进口 管14相连通；所述液氦进口管15和所述样品气进口管14位于所述低温靶接头17的内腔；所 述液氦进口管15和样品气进口管14均处于与真空夹层2相通的真空环境中；连接于所述低温靶接头17之上的一柔性接头22，所述液氦进口管15和所述样品 气进口管14置于所述柔性接头22内腔之内；连接于所述柔性接头22之上的一管筒23，所述液氦进口管15和所述样品气进口 管14置于所述管筒23的内腔之内；连接于所述管筒23之上的一顶盖大法兰24，所述顶盖大法兰24上含有五个通 孔，其中的一个通孔连接所述液氦进口管15和一液氦输液组件，另一个通孔连接所述样 品气进口管14和一样品气供气组件，再一个通孔连接所述氦蒸气出口 16和一排气及减压 组件，其中的第四个通孔连接一高真空系统，其中的第五个通孔连接放置于所述液氦温 度低温靶21样品室内的温度计7与所述加热丝4和一温度控制系统；所述液氦输液组件包含管道、一个三通接头，一个第一电磁阀39、一个柔性液 氦输液管27、一个装有液氦的杜瓦26和一个充满氦气的氦气瓶25;所述柔性液氦输液管 27—端穿过所述顶盖大法兰24插入所述液氦进口管15之内，另一端插入所述液氦杜瓦 26中，液氦杜瓦26上的出气口与所述三通接头连接，三通接头的一端通过管道与所述氦 气瓶25连接，三通接头的另一端连接于所述第一电磁阀39上；所述样品气供气组件包含一个样品气瓶28、一个第一机械泵29、一个样品气控 制罐30、管道、第一截止阀46、第二截止阀47、第三截止阀48和第四截止阀49 ；所述顶盖大法兰24上的样品气进口管14通过管道与所述第四个截止阀49连 接，所述样品气控制罐30包含一个进口、一个出口、一个抽气口；所述出口连接于所述 第四截止阀49 ；所述样品气控制罐30分上下两层；所述抽气口通过管道与所述第二截止阀47相连，所述第一机械泵29的抽气口通 过管道与所述第二截止阀47相连，所述进气口与所述第一截止阀46相连，所述样品气瓶 28通过管道与所述截止阀46相连，所述第三截止阀48连接所述样品气控制罐30的上下 两层；所述顶盖大法兰24上的一个通孔的一端与所述管筒23内腔相通，另一端与所述 的高真空系统相连；所述的高真空系统包含一个第二电磁阀40、一个第一真空阀50、一个高量程真 空计35、一台分子泵34、一个三通接头和管道；所述顶盖大法兰24上的通孔通过管道与第二电磁阀40相连，所述第二电磁阀40通过管道与所述三通接头相连，三通接头的一端 与所述高真空真空计35相连，三通接头的另一端通过管道与所述第一真空阀50相连，所 述分子泵34通过管道与所述第一真空阀50相连；所述大法兰24上的通孔的一端通过管道与所述液氦温度低温靶21的氦蒸气出口 16相连，另一端与一排气及减压组件相连；所述排气及减压组件包含第三电磁阀41、第四电磁阀42、第五电磁阀43、一个 负压稳定器31、一台受控制的受控制机械泵32、一个三通接头和管道；所述通孔的另一端通过管道与一个三通接头相连，所述三通接头的一端与所述 负压稳定器31的进口相连，所述三通接头的另一端与第五电磁阀43相连；所述负压稳定 器31的出口与第三电磁阀41相连；所述第一电磁阀41与所述三通接头的一端相连，所 述三通接头的一端与第四电磁阀42相连，所述三通接头的另一端与所述的受控制机械泵 32相连；所述液氦温度低温靶21的温度计7与加热丝4与所述大法兰21上的一个通孔相 连，另一端与一温度检测控制系统相连；所述温度检测控制系统包括一台计算机38、一 台温度控制仪37和导线；所述计算机38通过导线与所述温度控制仪37相连，所述温度 控制仪37通过导线与连接于大法兰24上温度计7与加热丝4相连；所述靶室20顶端的法兰接口与所述大法兰24相连，所述液氦温度低温靶21、柔 性接头22和管筒23置于所述靶室20内腔之中；所述靶室20还与一个低真空系统相连；所述低真空系统包含两个第二真空阀 44、第三真空阀45、一台第二机械泵33、一个低真空量程计36、一个四通接头和管道；所述靶室20通过管道与四通相连，该四通的一端口连接于所述第三真空阀45， 该四通的另一端口连接于所述的低真空量程计36，该四通的再一端口通过管道与所述第 二真空阀44 一端相连，所述第二真空阀44另一端通过管道与所述第二机械泵33相连；所述第一电磁阀39、第二电磁阀40、第三电磁阀41、第四电磁阀42、第五电磁 阀43和所述受控制机械泵32通过导线分别与一操作控制器51相连，所述操作控制器51 用于同时操作所述第一电磁阀39、第二电磁阀40、第三电磁阀41、第四电磁阀42、第五 电磁阀43和所述受控制机械泵32的运行；所述第一电磁阀39、第二电磁阀40、第三电 磁阀41、第四电磁阀42、第五电磁阀43、所述受控制机械泵32和所述操作控制器51组 成泵阀同步控制系统；本发明的与液氦温度低温靶配套的实验系统中的液氦温度低温靶21，是基于持 续输送液氦和减压降温的原理。从杜瓦中输出的液氦流进液氦侧池和液氦池，对样品进 行降温冷却；蒸发的氦蒸气经回气绕管流进气冷屏腔体，然后排出低温靶。为了实现液 氦侧池和液氦池中液氦的贮存，低温靶的设计包含了一个高真空夹层。当样品室温度被 液氦冷却到4.2K附近后通过对液氦池减压降温的方式可以实现4.2K以下的样品温度。通 过复合式温度调节与控制方法，可以实现获得3.6K 80K任一稳定温度；为了实现液氦的输入，实验系统设计了液氦输液组件；所述液氦输液组件包括 管道、一个三通接头，一个第一电磁阀39、一个柔性液氦输液管27、一个装有液氦的杜 瓦26和一个充满氦气的氦气瓶25 ；为了实现减压降温，实验系统设计了排气及减压组件，该排气及减压组件包括三个电磁阀(第三电磁阀41、第四电磁阀42、第五电磁阀43)； 一个负压稳定器31、一 台受控制的机械泵32、一个三通接头和管道；为了实现样品气的注入，实验系统设计了样品气供气组件，该样品气供气组件 包括一个样品气瓶28、一个第一机械泵29、一个样品气控制罐30、管道和四个截止阀 (第一截止阀46、第二截止阀47、第三截止阀48、和第四截止阀49)；为了实现温度的精确可控，实验系统设计了温度检测控制系统，该温度检测控 制系统包括一台计算机38、一台温度控制仪37和导线；为了实现获得低温靶工作需要的真空，实验系统设计了真空系统，该真空系统 包括高真空系统和低真空系统；所述的高真空系统包含一个电磁阀40、一个第一真空阀 50、一个高量程真空计35、一台分子泵34、一个三通接头和管道；所述低真空系统包含 两个真空阀(第二真空阀44和第三真空阀45)； 一台第二机械泵33、一个低真空量程计 36、四通接头和管道；为了实现实验设备不受冲击压缩实验的破坏，实验系统设计了泵阀同步控制系 统。进一步，泵阀同步控制系统包括第一电磁阀39、第二电磁阀40、第三电磁阀41、第 四电磁阀42、第五电磁阀43、机械泵32和操作控制器51 ；实验系统还包括低温靶工作需要的靶室20、液氦温度低温靶21组件、柔性接头 22、管筒23和顶盖大法兰24 ；本发明的实验系统具有以下优点1、由于低温靶21和管筒23之间采用柔性接头22并且采用铟丝密封，因此保护 了夹层真空管道不受冲击压缩实验的破坏并且易于拆卸，从而实现实验设备(低温靶除 外)的可重复使用；2、由于冲击压缩实验过程中操作人员必须远离冲击压缩实验现场，并且某些泵 与阀门需要同时开启或关闭，因此设计了泵阀同步控制系统对泵/管道的接通与关闭进 行控制，保护实验设备不受实验的破坏。3、负压稳定器31的设计保证了减压降温过程 中样品温度的稳定。本发明的实验系统已经成功实现3.6K 80K温区精确可控；实现获得3.6K 80K之间任一稳定温度；实现获得3.6K 80K之间任一温度的均勻稳定液态样品。该 实验系统已成功应用于样品氦的冲击压缩实验。
图1示出了与本发明配套的液氦温度低温靶的结构示意图；图2示出了本发明的与液氦温度低温靶配套的实验系统示意具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。图1示出了与本发明配套的液氦温度低温靶结构示意图；图2示出了本发明的与 液氦温度低温靶配套的实验系统示意图；由图可知，本发明提供的与液氦温度低温靶配 套的实验系统，其包括一靶室20，所述靶室20顶端含有一个法兰接口 ；
一液氦温度低温靶21 ；所述液氦温度低温靶21置于上述靶室20之内，所述液 氦温度低温靶21包括一气冷屏内筒，所述气冷屏内筒筒壁上刻有螺旋形凹槽；一紧密地套装于所述气冷屏内筒外壁上的气冷屏外筒；所述气冷屏外筒内壁与 所述气冷屏内筒筒壁上的螺旋形凹槽之间形成螺旋形气冷屏腔体10 ；所述气冷屏内筒和 气冷屏外筒等长形成气冷屏后端面和气冷屏前端面；分别盖于所述气冷屏后端面和气冷屏前端面的后挡板18和前挡板13 ；所述后挡 板18和前挡板13的中心处分别设有中心孔；装于所述前挡板13中心孔上并向气冷屏内 筒延伸的一颈管11;连接于所述颈管11端面上位于所述气冷屏内筒之内的一组件；连接 于所述组件和所述后挡板18之间的一波纹管1，所述波纹管1的内孔与所述后挡板18中 心孔相对并相通；所述组件包括一凸形柱体和一凸形圆筒体；所述凸形柱体由直径大的圆柱形后部和直径小的圆筒形前部组成，所述圆柱形 后部前端与所述圆筒形前部后端固定连接成一体；所述圆柱形后部后端面中心处设有一 圆形凹槽，一后盖19盖于所述圆形凹槽，所述圆形凹槽与后盖19之间形成一密闭液氦侧 池5;圆筒形前部的内筒深至所述圆柱形后部之内，所述圆筒形前部的内筒内装有一圆 形靶板8，所述圆筒形前部的内筒筒底与所述圆形靶板8之间形成密封样品室6 ；所述凸形圆筒体套装于所述凸形柱体的圆筒形前部筒壁之外，所述凸形圆筒直 径小的端面与所述圆柱形后部的前端面相连接，两者外径相等；所述凸形柱体的圆筒形 前部的前端面连接于所述的凸形圆筒体的筒底；所述凸形圆筒体的筒底设有与所述圆筒 形前部的筒径尺寸相等中心孔；所述凸形圆筒体与所述凸形柱体的圆筒形前部之间形成 液氦池9 ；所述气冷屏内筒与位于其内的各部件之间的空间形成真空夹层2 ；所述圆柱形 后部的柱面上环绕有加热丝4 ；所述的样品室6底面上设有中心连线呈两个同心圆上的12个通孔，其中六个通 孔均勻分布在两个同心圆的内圆上，其余六个通孔均勻分布在两个同心圆的外圆上，所 述外圆上六个通孔中有两个孔的中心连线与所述内圆上六个通孔中的两个孔的中心连线
相互垂直；所述后盖19分布与所述上述12个通孔对应的12个通孔；12根探针3分别从所述后盖19上的12个通孔和样品室6底面上的12个通孔穿 过，处于外圆上通孔中的探针顶部与靶板接触，处于内圆上通孔中的探针顶部与靶板之 间存有间隙；所述探针3的尾部位于所述波纹管1的内孔之内；所述颈管11管壁上环绕有回气绕管12，所述回气绕管12的一端与所述液氦池9 相连通，所述回气绕管12另一端与所述螺旋形气冷屏腔体10相连通；所述气冷屏外筒筒壁上设有与所述螺旋形气冷屏腔体(10)相连通的氦蒸气出口 管16 ；一低温靶接头17穿过所述气冷屏外筒装于所述气冷屏内筒筒壁上，该低温靶接 头17内腔与所述真空夹层2相通；所述凸形柱体的变截面上设有三个通孔；
所述密封液氦侧池5的环壁上均勻分布有四个孔，其中一个孔为通孔，其余为 盲孔；所述通孔与穿过所述低温靶接头17的氦气进口管15相连通；所述3个盲孔分别与 所述凸形柱体的变截面上的三个盲孔相连通；所述样品室6环壁上设有一个孔，该孔与穿过所述低温靶接头17的样品气进口 管14相连通；所述液氦进口管15和所述样品气进口管14位于所述低温靶接头17的内腔；所 述液氦进口管15和样品气进口管14均处于与真空夹层2相通的真空环境中；连接于所述低温靶接头17之上的一柔性接头22，所述液氦进口管15和所述样品 气进口管14置于所述柔性接头22内腔之内；连接于所述柔性接头22之上的一管筒23，所述液氦进口管15和所述样品气进口 管14置于所述管筒23的内腔之内；连接于所述管筒23之上的一顶盖大法兰24，所述顶盖大法兰24上含有五个通 孔，其中的一个通孔连接所述液氦进口管15和一液氦输液组件，另一个通孔连接所述样 品气进口管14和一样品气供气组件，再一个通孔连接所述氦蒸气出口 16和一排气及减压 组件，其中的第四个通孔连接一高真空系统，其中的第五个通孔连接放置于所述液氦温 度低温靶21样品室内的温度计7与所述加热丝4和一温度控制系统；所述液氦输液组件包含管道、一个三通接头，一个第一电磁阀39、一个柔性液 氦输液管27、一个装有液氦的杜瓦26和一个充满氦气的氦气瓶25;所述柔性液氦输液管 27—端穿过所述顶盖大法兰24插入所述液氦进口管15之内，另一端插入所述液氦杜瓦 26中，液氦杜瓦26上的出气口与所述三通接头连接，三通接头的一端通过管道与所述氦 气瓶25连接，三通接头的另一端连接于所述第一电磁阀39上；所述样品气供气组件包含一个样品气瓶28、一个第一机械泵29、一个样品气控 制罐30、管道、第一截止阀46、第二截止阀47、第三截止阀48和第四截止阀49 ；所述顶盖大法兰24上的样品气进口管14通过管道与所述第四个截止阀49连 接，所述样品气控制罐30包含一个进口、一个出口、一个抽气口；所述出口连接于所述 第四截止阀49 ；所述样品气控制罐30分上下两层；所述抽气口通过管道与所述第二截止阀47相连，所述第一机械泵29的抽气口通 过管道与所述第二截止阀47相连，所述进气口与所述第一截止阀46相连，所述样品气瓶 28通过管道与所述截止阀46相连，所述第三截止阀48连接所述样品气控制罐30的上下 两层；所述顶盖大法兰24上的一个通孔的一端与所述管筒23内腔相通，另一端与所述 的高真空系统相连；所述的高真空系统包含一个第二电磁阀40、一个第一真空阀50、一个高量程真 空计35、一台分子泵34、一个三通接头和管道；所述顶盖大法兰24上的通孔通过管道与 第二电磁阀40相连，所述第二电磁阀40通过管道与所述三通接头相连，三通接头的一端 与所述高真空真空计35相连，三通接头的另一端通过管道与所述第一真空阀50相连，所 述分子泵34通过管道与所述第一真空阀50相连；所述大法兰24上的通孔的一端通过管道与所述液氦温度低温靶21的氦蒸气出口 16相连，另一端与一排气及减压组件相连；
所述排气及减压组件包含第三电磁阀41、第四电磁阀42、第五电磁阀43、一个 负压稳定器31、一台受控制的受控制机械泵32、一个三通接头和管道；所述通孔的另一端通过管道与一个三通接头相连，所述三通接头的一端与所述 负压稳定器31的进口相连，所述三通接头的另一端与第五电磁阀43相连；所述负压稳定 器31的出口与第三电磁阀41相连；所述第一电磁阀41与所述三通接头的一端相连，所 述三通接头的一端与第四电磁阀42相连，所述三通接头的另一端与所述的受控制机械泵 32相连；所述液氦温度低温靶21的温度计7与加热丝4与所述大法兰21上的一个通孔相 连，另一端与一温度检测控制系统相连；所述温度检测控制系统包括一台计算机38、一 台温度控制仪37和导线；所述计算机38通过导线与所述温度控制仪37相连，所述温度 控制仪37通过导线与连接于大法兰24上温度计7与加热丝4相连；所述靶室20顶端的法兰接口与所述大法兰24相连，所述液氦温度低温靶21、柔 性接头22和管筒23置于所述靶室20内腔之中；所述靶室20还与一个低真空系统相连；所述低真空系统包含两个第二真空阀 44、第三真空阀45、一台第二机械泵33、一个低真空量程计36、一个四通接头和管道；所述靶室20通过管道与四通相连，该四通的一端口连接于所述第三真空阀45， 该四通的另一端口连接于所述的低真空量程计36，该四通的再一端口通过管道与所述第 二真空阀44 一端相连，所述第二真空阀44另一端通过管道与所述第二机械泵33相连；所述第一电磁阀39、第二电磁阀40、第三电磁阀41、第四电磁阀42、第五电磁 阀43和所述受控制机械泵32通过导线分别与一操作控制器51相连，所述操作控制器51 用于同时操作所述第一电磁阀39、第二电磁阀40、第三电磁阀41、第四电磁阀42、第五 电磁阀43和所述受控制机械泵32的运行；所述第一电磁阀39、第二电磁阀40、第三电 磁阀41、第四电磁阀42、第五电磁阀43、所述受控制机械泵32和所述操作控制器51组 成泵阀同步控制系统；实施例1 :开启第二电磁阀40和第一真空阀50，启动分子泵34，抽管筒23内 空间真空。开启第一截止阀46、第二截止阀47、第三截止阀48和第四截止阀49，启动 第一机械泵29，抽样品气体控制罐30、连接管道和低温靶21样品室真空。开启第二真 空阀44，启动第二机械泵33，对靶室20抽真空。待高量程真空计35显示管筒23内空间真空度< 10_2Pa、低量程真空计36显示 靶室达到IOOPa左右，开启第五电磁阀43，开始从杜瓦26经输液管27对低温靶靶体21 输液氦。通过氦气瓶25将杜瓦压力控制在0.02MPa以内。持续一分钟后通过氦气瓶25 适当加大输送压力至0.03 0.04MPa，液氦对低温靶进行降温并吸靶体热量后蒸发成氦 气排除到空气或回收系统中。当计算机38和控温仪31通过温度计7测得的液氦温度低温靶21样品室温度接 近4.2K后，关闭第五电磁阀43，开启第三电磁阀41，启动受操作控制器51控制的机械 泵32对低温靶21进行减压降温.当温度计7测得的低温靶21样品室6温度稳定在4.2K以内后，关闭第一截止阀 46、第二截止阀47、第三截止阀48和第四截止阀49，开启第一截止阀46，通过样品气瓶 28对样品气控制罐30注入样品气，然后慢慢打开第三截止阀48，压力控制在O.OlMPa，最后关闭第一截止阀46和第三截止阀48，开启第四截止阀49。当常温的样品氦气输送 到低温靶21的样品室6后，计算机38和控温仪37通过温度计7检测到的温度会有一个 上升，当样品液化后重新下降，关闭第四截止阀49。多次重复上述注入样品气的过程， 最后当输入样品气后温度计7测得的温度保持稳定，温度跃升没有出现，即可以认为样 品室6中充满液态样品。冲击压缩实验开始前3秒钟内，关闭第二电磁阀40，开启第一电磁阀39、第四 电磁阀42和第五电磁阀43并同时停止受控制机械泵32。第一电磁阀39、第二电磁阀 40、第三电磁阀41、第四电磁阀42和第五电磁阀43的开和闭及机械泵32的开启和关闭 都在操作控制器51上一键完成。实施例2:开启第二电磁阀40和第一真空阀50，启动分子泵34，抽管筒23内 空间真空。开启第一截止阀46、第二截止阀47、第三截止阀48和第四截止阀49，启动 第一机械泵29，抽样品气体控制罐30、连接管道和低温靶21样品室真空。开启第二真 空阀44，启动第二机械泵33，对靶室20抽真空。待高量程真空计35显示管筒23内空间真空度< 10_2Pa、低量程真空计36显示 靶室达到IOOPa左右，开启第五电磁阀43，开始从杜瓦26经输液管27对低温靶靶体21 输液氦。通过氦气瓶25将杜瓦压力控制在0.02MPa以内。持续一分钟后通过氦气瓶25 适当加大输送压力至0.03 0.04MPa，液氦对低温靶进行降温并吸靶体热量后蒸发成氦 气排除到空气或回收系统中。当计算机38和控温仪37通过温度计7测得的低温靶21样品室6温度接近一个 设定温度(本例以20K为例)后，通过输液管27上阀门调小流量。当温度稳定在20K 以下某温度点后(如19K)后，启动控温仪37，将控温点设在20K，调节PID参数，通过 加热丝4对样品室6温度进行控制。当样品室温度6稳定在20K后，可以进行样品的液 化，样品的液化过程与实施例1相同。
权利要求
1. 一种与液氦温度低温靶配套的实验系统，其包括 一靶室(20)，所述靶室(20)顶端含有一个法兰接口 ；一液氦温度低温靶(21)；所述液氦温度低温靶(21)置于上述靶室(20)之内，所述 液氦温度低温靶(21)包括一气冷屏内筒，所述气冷屏内筒筒壁上刻有螺旋形凹槽；一紧密地套装于所述气冷屏内筒外壁上的气冷屏外筒；所述气冷屏外筒内壁与所述 气冷屏内筒筒壁上的螺旋形凹槽之间形成螺旋形气冷屏腔体(10)；所述气冷屏内筒和气 冷屏外筒等长形成气冷屏后端面和气冷屏前端面；分别盖于所述气冷屏后端面和气冷屏前端面的后挡板(18)和前挡板(13)；所述后挡 板(18)和前挡板(13)的中心处分别设有中心孔；装于所述前挡板(13)中心孔上并向气 冷屏内筒延伸的一颈管(11)；连接于所述颈管(11)端面上位于所述气冷屏内筒之内的一 组件；连接于所述组件和所述后挡板(18)之间的一波纹管(1)，所述波纹管(1)的内孔 与所述后挡板(18)中心孔相对并相通；所述组件包括一凸形柱体和一凸形圆筒体；所述凸形柱体由直径大的圆柱形后部和直径小的圆筒形前部组成，所述圆柱形后部 前端与所述圆筒形前部后端固定连接成一体；所述圆柱形后部后端面中心处设有一圆形 凹槽，一后盖(19)盖于所述圆形凹槽，所述圆形凹槽与后盖(19)之间形成一密闭液氦 侧池(5)；圆筒形前部的内筒深至所述圆柱形后部之内，所述圆筒形前部的内筒内装有 一圆形靶板(8)，所述圆筒形前部的内筒筒底与所述圆形靶板(8)之间形成密封样品室 (6)；所述凸形圆筒体套装于所述凸形柱体的圆筒形前部筒壁之外，所述凸形圆筒直径小 的端面与所述圆柱形后部的前端面相连接，两者外径相等；所述凸形柱体的圆筒形前部 的前端面连接于所述的凸形圆筒体的筒底；所述凸形圆筒体的筒底设有与所述圆筒形前 部的筒径尺寸相等中心孔；所述凸形圆筒体与所述凸形柱体的圆筒形前部之间形成液氦 池(9)；所述气冷屏内筒与位于其内的各部件之间的空间形成真空夹层(2)；所述圆柱形后 部的柱面上环绕有加热丝(4)；所述的样品室(6)底面上设有中心连线呈两个同心圆上的12个通孔，其中六个通孔 均勻分布在两个同心圆的内圆上，其余六个通孔均勻分布在两个同心圆的外圆上，所述 外圆上六个通孔中有两个孔的中心连线与所述内圆上六个通孔中的两个孔的中心连线相 互垂直；所述后盖(19)分布与所述上述12个通孔对应的12个通孔；12根探针(3)分别从所述后盖(19)上的12个通孔和样品室(6)底面上的12个通孔 穿过，处于外圆上通孔中的探针顶部与靶板接触，处于内圆上通孔中的探针顶部与靶板 之间存有间隙；所述探针⑶的尾部位于所述波纹管⑴的内孔之内；所述颈管(11)管壁上环绕有回气绕管(12)，所述回气绕管(12)的一端与所述液氦池 (9)相连通，所述回气绕管(12)另一端与所述螺旋形气冷屏腔体(10)相连通；所述气冷屏外筒筒壁上设有与所述螺旋形气冷屏腔体(10)相连通的氦蒸气出口管 (16)；一低温靶接头(17)穿过所述气冷屏外筒装于所述气冷屏内筒筒壁上，该低温靶接头 (17)内腔与所述真空夹层(2)相通；所述凸形柱体的变截面上设有三个通孔；所述密封液氦侧池(5)的环壁上均勻分布有四个孔，其中一个孔为通孔，其余为盲 孔；所述通孔与穿过所述低温靶接头(17)的氦气进口管(15)相连通；所述3个盲孔分别 与所述凸形柱体的变截面上的三个盲孔相连通；所述样品室(6)环壁上设有一个孔，该孔与穿过所述低温靶接头(17)的样品气进口 管(14)相连通；所述液氦进口管(15)和所述样品气进口管(14)位于所述低温靶接头17的内腔；所 述液氦进口管(15)和样品气进口管(14)均处于与真空夹层(2)相通的真空环境中；连接于所述低温靶接头(17)之上的一柔性接头(22)，所述液氦进口管(15)和所述样 品气进口管(14)置于所述柔性接头(22)内腔之内；连接于所述柔性接头(22)之上的一管筒(23)，所述液氦进口管(15)和所述样品气进 口管(14)置于所述管筒(23)的内腔之内；连接于所述管筒(23)之上的一顶盖大法兰(24)，所述顶盖大法兰(24)上含有五个通 孔，其中的一个通孔连接所述液氦进口管(15)和一液氦输液组件，另一个通孔连接所述 样品气进口管(14)和一样品气供气组件，再一个通孔连接所述氦蒸气出口(16)和一排气 及减压组件，其中的第四个通孔连接一高真空系统，其中的第五个通孔连接放置于所述 液氦温度低温靶(21)样品室内的温度计(7)与所述加热丝(4)和一温度控制系统；所述液氦输液组件包含管道、一个三通接头，一个第一电磁阀(39)、一个柔性液氦 输液管(27)、一个装有液氦的杜瓦(26)和一个充满氦气的氦气瓶(25)；所述柔性液氦输 液管(27) —端穿过所述顶盖大法兰(24)插入所述液氦进口管(15)之内，另一端插入所 述液氦杜瓦(26)中，液氦杜瓦(26)上的出气口与所述三通接头连接，三通接头的一端通 过管道与所述氦气瓶(25)连接，三通接头的另一端连接于所述第一电磁阀(39)上；所述样品气供气组件包含一个样品气瓶(28)、一个第一机械泵(29)、一个样品气控 制罐(30)、管道、第一截止阀(46)、第二截止阀(47)、第三截止阀(48)和第四截止阀 (49)；样品气控制罐(30)分上下两层；所述顶盖大法兰(24)上的样品气进口管(14)通过管道与所述第四个截止阀(49)连 接，所述样品气控制罐(30)包含一个进口、一个出口、一个抽气口 ；所述出口连接于所 述第四截止阀(49)；所述抽气口通过管道与所述第二截止阀(47)相连，所述第一机械泵 (29)的抽气口通过管道与所述第二截止阀(47)相连，所述进气口与所述第一截止阀(46) 相连，所述样品气瓶(28)通过管道与所述第一截止阀(46)相连，所述第三截止阀(48) 连通所述样品气控制罐(49)的上层和下层；所述顶盖大法兰(24)上的一个通孔的一端与所述管筒(23)内腔相通，另一端与所述 的高真空系统相连；所述的高真空系统包含一个第二电磁阀(40)、一个第一真空阀(50)、一个高量程真 空计(35)、一台分子泵(34)、一个三通接头和管道；所述顶盖大法兰(24)上的通孔通过 管道与第二电磁阀(40)相连，所述第二电磁阀(40)通过管道与所述三通接头相连，三通 接头的一端与所述高真空真空计(35)相连，三通接头的另一端通过管道与所述第一真空阀(50)相连，所述分子泵(34)通过管道与所述第一真空阀(50)相连；所述大法兰(24)上的通孔的一端通过管道与所述液氦温度低温靶(21)的氦蒸气出口 (16)相连，另一端与一排气及减压组件相连；所述排气及减压组件包含第三电磁阀(41)、第四电磁阀(42)、第五电磁阀(43)、一 个负压稳定器(31)、一台受控制的受控制机械泵(32)、一个三通接头和管道；所述通孔的另一端通过管道与一个三通接头相连，所述三通接头的一端与所述负压 稳定器(31)的进口相连，所述三通接头的另一端与第五电磁阀(43)相连；所述负压稳定 器(31)的出口与第三电磁阀(41)相连；所述第一电磁阀(41)与所述三通接头的一端相 连，所述三通接头的一端与第四电磁阀(42)相连，所述三通接头的另一端与所述的受控 制机械泵(32)相连；所述液氦温度低温靶(21)的温度计(7)与加热丝(4)与所述大法兰(21)上的一个 通孔相连，另一端与一温度检测控制系统相连；所述温度检测控制系统包括一台计算机(38)、一台温度控制仪(37)和导线；所述计算机(38)通过导线与所述温度控制仪(37) 相连，所述温度控制仪(37)通过导线与连接于大法兰(24)上温度计(7)与加热丝(4)相 连；所述靶室(20)顶端的法兰接口与所述大法兰(24)相连，所述液氦温度低温靶(21)、 柔性接头(22)和管筒(23)置于所述靶室(20)内腔之中；所述靶室(20)还与一个低真空系统相连；所述低真空系统包含两个第二真空阀 (44)、第三真空阀(45)、一台第二机械泵(33)、一个低真空量程计(36)、一个四通接头 和管道；所述靶室(20)通过管道与四通相连，该四通的一端口连接于所述第三真空阀(45)， 该四通的另一端口连接于所述的低真空量程计(36)，该四通的再一端口通过管道与所述 第二真空阀(44) 一端相连，所述第二真空阀(44)另一端通过管道与所述第二机械泵(33) 相连；所述第一电磁阀(39)、第二电磁阀(40)、第三电磁阀(41)、第四电磁阀(42)、第 五电磁阀(43)和所述受控制机械泵(32)通过导线与一操作控制器(51)相连，所述操作 控制器(51)用于同时操作所述第一电磁阀(39)、第二电磁阀(40)、第三电磁阀(41)、 第四电磁阀(42)、第五电磁阀(43)和所述受控制机械泵(32)的运行；所述第一电磁阀(39)、第二电磁阀(40)、第三电磁阀(41)、第四电磁阀(42)、第五电磁阀(43)、所述受 控制机械泵(32)和所述操作控制器(51)组成泵阀同步控制系统。
全文摘要
本发明公开了一种与用于冲击压缩实验的液氦温度低温靶配套使用的实验系统，包括靶室、低温靶、柔性接头、管筒、大法兰、液氦输液组件、排气及减压组件、样品气供气组件、真空系统、泵阀同步控制系统和温度检测控制系统。实验系统通过柔性接头和泵阀同步控制系统的设计，实现了实验设备(液氦温度低温靶除外)的可重复使用。实验系统通过真空系统和排气及减压组件的设计实现了稳定的3.6K最低温度。实验系统通过温度检测控制系统的设计实现了3.6K～80K温区温度精确可控。本发明与液氦温度低温靶的配套使用实现获得了3.6K～80K之间任一温度的均匀稳定液态样品。该实验系统已成功应用于样品氦的冲击压缩实验。
文档编号G01N1/42GK102023114SQ200910093850
公开日2011年4月20日 申请日期2009年9月22日 优先权日2009年9月22日
发明者李建国, 梁惊涛, 洪国同, 罗宝军, 蔡京辉 申请人:中国科学院理化技术研究所